Collisions Stellaires ou lorsque les étoiles se rencontrent. Pierre-Yves Blais, Avril 07

Collisions Stellaires ou Collisions Stellaires ou lorsque les étoiles se lorsque les étoiles se

rencontrent.rencontrent.

Pierre-Yves Blais, Avril 07

Collisions stellairesCollisions stellaires

Que se passerait-Que se passerait-il si une naine il si une naine blanche entrait blanche entrait en collision avec en collision avec le soleil?le soleil?

Ou un trou noir?Ou un trou noir? Où peut-on Où peut-on

observer de tels observer de tels événements?événements?

Collisions stellairesCollisions stellaires La pensée La pensée

courante qui nous courante qui nous dicte que les dicte que les étoiles ne rentrent étoiles ne rentrent jamais en collision jamais en collision est fausse;est fausse;

Collisions arrivent Collisions arrivent plus fréquemment plus fréquemment qu’on ne le pense qu’on ne le pense dans les amas dans les amas d’étoiles et tout d’étoiles et tout spécialement dans spécialement dans les amas les amas globulaires;globulaires;

M13

Collisions stellairesCollisions stellaires

James Jeans (1877-James Jeans (1877-1946) calcula 1946) calcula qu’aucune des 100+ qu’aucune des 100+ milliard d’étoiles de milliard d’étoiles de notre galaxie n’est notre galaxie n’est jamais entrée en jamais entrée en collision avec une collision avec une autre.autre.

Théorie ne s’applique Théorie ne s’applique pas aux endroits plus pas aux endroits plus exotiques de notre exotiques de notre galaxie.galaxie.

Collisions stellairesCollisions stellaires Premier suspect Premier suspect

découvert en 1963 est découvert en 1963 est le Quasar avec le Quasar avec luminosité=100,000 luminosité=100,000 Millions d’étoilesMillions d’étoiles

Luminosité du Quasar Luminosité du Quasar varie en 1 jour ce qui varie en 1 jour ce qui supposerait une supposerait une concentration de concentration de millions d’étoiles dans millions d’étoiles dans un volume égal au un volume égal au système solaire, donc système solaire, donc les collisions d’étoiles les collisions d’étoiles seraient très probableseraient très probable

En 1970, suspect En 1970, suspect identifié : Trou Noiridentifié : Trou Noir

Collisions stellairesCollisions stellaires Satellite Uhuru Satellite Uhuru

(1970) identifia (1970) identifia 100 sources de 100 sources de rayon X dont 10% rayon X dont 10% situées dans les situées dans les amas stellaires ou amas stellaires ou globulaires.globulaires.

Pourtant, les Pourtant, les amas consistent amas consistent en uniquement en uniquement 0.01% des étoiles 0.01% des étoiles de la Voie Lactée.de la Voie Lactée.

Collisions stellairesCollisions stellaires Amas globulaires Amas globulaires

contiennent 1 Millions contiennent 1 Millions d’étoiles dans rayon de d’étoiles dans rayon de quelques douzaines quelques douzaines d’années lumière;d’années lumière;

En comparaison, le En comparaison, le voisinage solaire voisinage solaire contient 100 étoile dans contient 100 étoile dans le même volume;le même volume;

Étoiles des amas Étoiles des amas voyagent à 16,000 km/h voyagent à 16,000 km/h vs 40,000 km/h pour vs 40,000 km/h pour soleil;soleil;

Probabilité de capture ou Probabilité de capture ou de collision plus élevées;de collision plus élevées; 47 TUC

Mécanismes de collisionsMécanismes de collisions Surface effective des étoiles rend les Surface effective des étoiles rend les

collisions peu probables collisions peu probables Jack G. Hills et Carol A. Day, Jack G. Hills et Carol A. Day,

Université du Michigan ont Université du Michigan ont démontré en 1975 que la probabilité démontré en 1975 que la probabilité de collision n’est pas seulement de collision n’est pas seulement fonction de la surface effective des fonction de la surface effective des étoiles étoiles ÉvaporationÉvaporation Focalisation gravitationnelleFocalisation gravitationnelle Capture par effet de maréeCapture par effet de marée

1. Évaporation stellaire1. Évaporation stellaire

Lors de la rencontre de 3-4 Lors de la rencontre de 3-4 étoiles, l’énergie est étoiles, l’énergie est redistribuée et une étoile est redistribuée et une étoile est projetée en dehors de projetée en dehors de l’essaim ce qui cause un l’essaim ce qui cause un rapprochement des autres.rapprochement des autres.

Énergie OrbitaleÉnergie Orbitale

}+e

1. De l’énergie est nécessaire pour atteindre des orbites plus élevées;

2. Une énergie plus faible implique une énergie plus basse;

3. Une énergie plus haute implique une orbite plus élevée;

E

E+e


+Centre de gravité

Énergie totale = E


+

Énergie petite étoile = e

Énergie étoiles restante = E - e

1. Par effet de ‘slingshot’ gravitationnel, une étoile (la plus petite) est éjectée avec une énergie=e après une rencontre rapprochée avec plusieurs étoiles plus massive;

2. Principe de conservation de l’énergie exige que l’énergie des étoiles restantes doit diminuer de la même valeur=e car Énergie totale doit demeurer constante;3. Les étoiles restantes se rapprochent (énergie plus basse = orbites plus basse);

Énergie totale = E

ÉvaporationÉvaporation1.1. EEeau - corpseau - corps = T = Too

eau sur eau sur

corpscorps

2.2. Évaporation gouttes Évaporation gouttes d ’eau requiert d ’eau requiert énergie =énergie = e eevapevap

3.3. E E restanterestante= E= Eeau-corpseau-corps – – eeevapevap

4.4. E E restanterestante diminuediminue;;

5.5. TTooeau sur corps eau sur corps diminuediminue;;

6.6. On gèle…On gèle…

2. Focalisation 2. Focalisation gravitationnellegravitationnelle

L’attraction mutuelle des L’attraction mutuelle des étoiles augmente leur « étoiles augmente leur « surface effective de surface effective de collisions » en rapprochant collisions » en rapprochant leur trajectoires respectives.leur trajectoires respectives.


- Probabilité de collision fonction de la dimension de l’étoile / la distance entre les étoiles


-Focalisation gravitationnelle augmente la surface « effective » de l’étoile en déviant la trajectoire des étoiles, donc augmente la probabilité de collision.

Surface Effective.

3. Capture par effet de 3. Capture par effet de maréemarée

Étoile à neutrons ou trou noir Étoile à neutrons ou trou noir déforme l’étoile passant à déforme l’étoile passant à proximité (effet de marée) proximité (effet de marée) provoquant ainsi une perte provoquant ainsi une perte d’énergie forçant les deux astres à d’énergie forçant les deux astres à entrer en orbite.entrer en orbite.

La perte continuelle d’énergie due La perte continuelle d’énergie due à l’effet de marée va entraîner une à l’effet de marée va entraîner une collision éventuelle des deux corps.collision éventuelle des deux corps.


Trou noir

1. Énergie totale du système = énergie du trou noir + énergie étoile2. En passant près du trou noir, l’effet de marée déforme l’étoile ce qui rajoute au

système une énergie = emarée

3. Conservation de l’énergie exige que l’énergie totale du système demeure constante, l’énergie de l’étoile et du trou noir doit donc diminuer proportionnellement;;

emarée

Énergie système E = Etn + Ee + emarée

Énergie système E = Etn + Ee + emarée


Trou noir

1. Énergie totale du système = énergie du trou noir + énergie étoile2. En passant près du trou noir, l’effet de marée déforme l’étoile ce qui rajoute au

système une énergie = emarée

3. Conservation de l’énergie exige que l’énergie totale du système demeure constante, l’énergie de l’étoile et du trou noir doit donc diminuer proportionnellement;

4. Énergie diminue=vitesse diminue, l’étoile se rapproche, ce qui entraîne sa capture par le trou noir;

5. Dû à l’effet de marée, chaque passage près du trou noir diminue la vitesse de l’étoile, l’étoile finit par s’effondrer sur le trou noir;

Scène de l’accidentScène de l’accident

Que se passe-t-il lorsque deux Que se passe-t-il lorsque deux étoiles entrent en collision? étoiles entrent en collision?

Fonction de:Fonction de: Vitesse relatives des étoiles;Vitesse relatives des étoiles; Paramètres d’impact Paramètres d’impact

(trajectoires);(trajectoires); Types d’étoiles, densité etc.;Types d’étoiles, densité etc.;

Super géanteSuper géante Géante RougeGéante Rouge Séquence Séquence principaleprincipale

Naine bruneNaine brune Naine blancheNaine blanche Étoile neutronÉtoile neutron Trou NoirTrou Noir

Trou noirTrou noir Trou noir + Trou noir + disque + disque +

naine blanchenaine blanche

Trou noir + Trou noir + disque + disque +


Trou noir Trou noir

+ +

disquedisque

Trou noir Trou noir

+ +

disquedisque

Trou noir Trou noir

++

disquedisque

Trou noir Trou noir

+ +

disquedisque

Trou noirTrou noir

Étoiles Étoiles neutronneutron

Étoile neutron Étoile neutron ou trou noir + ou trou noir + disque + disque +




Étoile neutron Étoile neutron ou trou noir ou trou noir

+ +

disquedisque


+ +

disquedisque


+ +

disquedisque


+ +

disquedisque

Naine blancheNaine blanche Naine blanche Naine blanche + +

Naine blancheNaine blanche

Naine blanche Naine blanche + +


Naine blancheNaine blanche Naine blanche Naine blanche ou étoile à ou étoile à neutronsneutrons

Naine blanche Naine blanche ou étoile à ou étoile à neutronsneutrons

Naine bruneNaine brune Naine brune Naine brune

+ +


Naine brune Naine brune

+ +


Séquence Séquence principaleprincipale

Séquence Séquence principale ou principale ou naine brunenaine brune


Séquence Séquence principale + principale + naine blanchenaine blanche



Géante rougeGéante rouge Naine blanche Naine blanche + +




Super GéanteSuper Géante Naine blanche Naine blanche ++



Super géanteSuper géante Géante RougeGéante Rouge Séquence Séquence principaleprincipale

Naine bruneNaine brune Naine blancheNaine blanche Étoile neutronÉtoile neutron Trou NoirTrou Noir

Trou noirTrou noir Trou noir + Trou noir + disque + disque +


Trou noir + Trou noir + disque + disque +


Trou noir Trou noir

+ +

disquedisque

Trou noir Trou noir

+ +

disquedisque

Trou noir Trou noir

++

disquedisque

Trou noir Trou noir

+ +

disquedisque

Trou noirTrou noir

Étoiles Étoiles neutronneutron






+ +

disquedisque


+ +

disquedisque


+ +

disquedisque


+ +

disquedisque

Naine blancheNaine blanche Naine blanche Naine blanche + +




Naine blancheNaine blanche Naine blanche Naine blanche ou étoile à ou étoile à neutronsneutrons

Naine blanche Naine blanche ou étoile à ou étoile à neutronsneutrons

Naine bruneNaine brune Naine brune Naine brune

+ +


Naine brune Naine brune

+ +



Séquence Séquence principale ou principale ou naine brunenaine brune





Géante rougeGéante rouge Naine blanche Naine blanche + +




Super GéanteSuper Géante Naine blanche Naine blanche ++



Scénario 1 : Collision Scénario 1 : Collision Séquence principale – Séquence principale – Séquence principaleSéquence principale

Étoile moins massive (plus dense) ressort Étoile moins massive (plus dense) ressort moins affectée de l’impact;moins affectée de l’impact;

Onde de choc générée est insuffisante pour Onde de choc générée est insuffisante pour allumer des réactions nucléaire et éjecter les allumer des réactions nucléaire et éjecter les gaz de l’étoile plus dense;gaz de l’étoile plus dense;

Une nouvelle étoile en rotation rapide émerge, Une nouvelle étoile en rotation rapide émerge, résultante de la fusion des deux étoiles; résultante de la fusion des deux étoiles;

Seulement une petite fraction des gaz est Seulement une petite fraction des gaz est éjectée;éjectée;

http://www.ifa.hawaii.edu/faculty/barnes/http://www.ifa.hawaii.edu/faculty/barnes/research/stellar_collisions/index.htmlresearch/stellar_collisions/index.html

http://http://haydenplanetarium.orghaydenplanetarium.org//resourcesresources/ava/page//ava/page/index.phpindex.php?file=S0605stelcoll?file=S0605stelcoll

Blue Stragglers (traînarde Blue Stragglers (traînarde bleue)bleue)

Masse: 1 MsolMasse: 1 Msol

Durée Vie: 10 Milliard AnnéesDurée Vie: 10 Milliard Années

T= 5 Milliard AnnéesT= 5 Milliard Années

Masse: Masse: ~2~2 Msol Msol

Vie: 800 Million AnnéesVie: 800 Million Années


Masse: 1 MsolMasse: 1 Msol

Durée Vie: 10 Milliard AnnéesDurée Vie: 10 Milliard Années



Pour les trouver, on doit chercher dans Pour les trouver, on doit chercher dans des champs d’étoiles identiques: Amas des champs d’étoiles identiques: Amas globulaires dans lesquels les étoiles globulaires dans lesquels les étoiles sont toutes nées à peu près en même sont toutes nées à peu près en même temps (étoiles très anciennes);temps (étoiles très anciennes);

La formation de nouvelles étoiles est La formation de nouvelles étoiles est inexistante depuis quelques milliards inexistante depuis quelques milliards d’années étant donné l’absence de gaz;d’années étant donné l’absence de gaz;

On doit y chercher des géantes bleues On doit y chercher des géantes bleues près du centre de l’amas;près du centre de l’amas;

Allan Sandage trouva en 1953 des Allan Sandage trouva en 1953 des étoiles bleus au centre d’amas étoiles bleus au centre d’amas globulaires;globulaires;

Blue StragglersBlue Stragglers




47 Tucanea - UV


M 15 - UV

Scénario 2 : Collision Naine Scénario 2 : Collision Naine blanche – Séquence blanche – Séquence

principaleprincipale Naine blanche entre en collision à environ Naine blanche entre en collision à environ

600 km/s. Collision génère une onde de 600 km/s. Collision génère une onde de choc hypersonique qui réchauffe l’étoile choc hypersonique qui réchauffe l’étoile entièreentière au delà de la température de au delà de la température de fusion;fusion;

La naine blanche de densité + élevée La naine blanche de densité + élevée (10Mx soleil) l’emporte;(10Mx soleil) l’emporte;

Étoile consume 100M années de Étoile consume 100M années de combustible en 1h; combustible en 1h;

L’onde de choc expulse les gaz de l’étoile à L’onde de choc expulse les gaz de l’étoile à une vitesse beaucoup plus élevée que la une vitesse beaucoup plus élevée que la vitesse d’échappement;vitesse d’échappement;

Scénario 2 : Collision Naine Scénario 2 : Collision Naine blanche – Séquence blanche – Séquence

principaleprincipale Énergie dégagée Énergie dégagée

vaporise les océans sur vaporise les océans sur terre;terre;

Étoile forme une Étoile forme une nébuleuse gazeuse. nébuleuse gazeuse. Planètes ne sont plus Planètes ne sont plus retenues par la retenues par la gravitation de l’étoile gravitation de l’étoile et s’enfoncent dans et s’enfoncent dans l’espace;l’espace;

Naine blanche ressort Naine blanche ressort inaffectée de la inaffectée de la rencontre;rencontre; http://http://www.ukaff.ac.ukwww.ukaff.ac.uk//

movies.shtmlmovies.shtml Ref: UK Astrophysical Ref: UK Astrophysical

Fluids Facility.Fluids Facility.

Scénario 3 : Collision Trou Scénario 3 : Collision Trou Noir – Séquence principaleNoir – Séquence principale

Étoile est complètement détruite en Étoile est complètement détruite en approchant trop près du trou noir;approchant trop près du trou noir;

Gaz résiduels forment un disque Gaz résiduels forment un disque d’accrétion;d’accrétion;

Exemple collision trou noir de 10 Exemple collision trou noir de 10 Msol et du soleil;Msol et du soleil; http://www.ifa.hawaii.edu/faculty/barnes/reseahttp://www.ifa.hawaii.edu/faculty/barnes/resea

rch/stellar_collisions/index.htmlrch/stellar_collisions/index.html

Scénario 4 : Collision Étoile Scénario 4 : Collision Étoile Neutron – Étoile NeutronNeutron – Étoile Neutron

Étoiles perdent de l’énergie en émettant des Étoiles perdent de l’énergie en émettant des ondes de gravitation en orbitant l’une autour ondes de gravitation en orbitant l’une autour de l’autre;de l’autre;

Perte d’énergie entraîne un rapprochement Perte d’énergie entraîne un rapprochement des étoiles;des étoiles;

La vitesse de rotation approche des valeurs La vitesse de rotation approche des valeurs relativistiques (relativistiques (~1/4 c);~1/4 c);

Lors du premier contact, la coalescence se Lors du premier contact, la coalescence se complète en 5/1000 sec;complète en 5/1000 sec;

http://www.ukaff.ac.uk/movies.shtmlhttp://www.ukaff.ac.uk/movies.shtml http://www.astro.ex.ac.uk/people/dprice/research/nsmag/http://www.astro.ex.ac.uk/people/dprice/research/nsmag/ http://www.faculty.iu-bremen.de/srosswog/movies.htmlhttp://www.faculty.iu-bremen.de/srosswog/movies.html

Scénario 5 : Collision Trou Scénario 5 : Collision Trou Noir – Trou NoirNoir – Trou Noir

Trou noirs perdent de Trou noirs perdent de l’énergie en émettant des l’énergie en émettant des ondes de gravitation ce qui ondes de gravitation ce qui cause leur rapprochement;cause leur rapprochement;

Le contact se fait à la Le contact se fait à la vitesse de la lumière. vitesse de la lumière. Imaginez plusieurs Imaginez plusieurs millions (milliard) de millions (milliard) de masse solaire qui se masse solaire qui se rencontrent à ces rencontrent à ces vitesses…;vitesses…;

L’énergie dégagée lors de L’énergie dégagée lors de la coalescence surpasse de la coalescence surpasse de loin l’énergie dégagée par loin l’énergie dégagée par toutes les étoiles de toutes les étoiles de l’univers;l’univers;


L’énergie dégagée est sous forme L’énergie dégagée est sous forme d’ondes gravitationnelles;d’ondes gravitationnelles;

Ondes peuvent être émises pendant Ondes peuvent être émises pendant plusieurs semaines;plusieurs semaines;

Ondes changent la dimension d’un être Ondes changent la dimension d’un être humain d ’une fraction de la largeur humain d ’une fraction de la largeur d’un atome;d’un atome;

Éventuellement détec-Éventuellement détec- tables par LIGO;tables par LIGO;


http://www.aip.org/png/2006/256.htmhttp://www.aip.org/png/2006/256.htm

http://chandra.harvard.edu/photo/2002/http://chandra.harvard.edu/photo/2002/0192/animations.html0192/animations.html

Simulation 3-D réalisée sur super-Simulation 3-D réalisée sur super-ordinateur Columbia NASA Ames ordinateur Columbia NASA Ames Research CenterResearch Center

http://www.nasa.gov/vision/universe/stahttp://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/gwave.htmlrsgalaxies/gwave.html

Scénario 5: Collision Trou Scénario 5: Collision Trou Noir – Trou NoirNoir – Trou Noir

NGC 1128 – Optique

NGC 1128 – Rayon X

NGC 1128 – Rayon X

NGC 1128 – Radio

NGC 1128 – Radio

- 25,000 AL de séparation

NGC 1128 – Rayon X, Radio

- 3,000 AL de séparation

NGC 6240 – Rayon X, Radio

Merci!

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Collisions Stellaires ou lorsque les étoiles se rencontrent. Pierre-Yves Blais, Avril 07