Collisions Stellaires ou lorsque les étoiles se rencontrent.

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

2. Collisions stellaires • Que se passerait-il si une naine blanche entrait en collision avec le soleil? • Ou un trou noir? • Où peut-on observer de tels événements?

3. Collisions stellaires • La pensée courante qui nous dicte que les étoiles ne rentrent jamais en collision est fausse; • Collisions arrivent plus fréquemment qu’on ne le pense dans les amas d’étoiles et tout spécialement dans les amas globulaires; M13

4. Collisions stellaires • James Jeans (1877-1946) calcula qu’aucune des 100+ milliard d’étoiles de notre galaxie n’est jamais entrée en collision avec une autre. • Théorie ne s’applique pas aux endroits plus exotiques de notre galaxie.

5. Collisions stellaires • Premier suspect découvert en 1963 est le Quasar avec luminosité=100,000 Millions d’étoiles • Luminosité du Quasar varie en 1 jour ce qui supposerait une concentration de millions d’étoiles dans un volume égal au système solaire, donc les collisions d’étoiles seraient très probable • En 1970, suspect identifié : Trou Noir

6. Collisions stellaires • Satellite Uhuru (1970) identifia 100 sources de rayon X dont 10% situées dans les amas stellaires ou globulaires. • Pourtant, les amas consistent en uniquement 0.01% des étoiles de la Voie Lactée.

7. Collisions stellaires • Amas globulaires contiennent 1 Millions d’étoiles dans rayon de quelques douzaines d’années lumière; • En comparaison, le voisinage solaire contient 100 étoile dans le même volume; • Étoiles des amas voyagent à 16,000 km/h vs 40,000 km/h pour soleil; • Probabilité de capture ou de collision plus élevées; 47 TUC

8. Mécanismes de collisions • Surface effective des étoiles rend les collisions peu probables  • Jack G. Hills et Carol A. Day, Université du Michigan ont démontré en 1975 que la probabilité de collision n’est pas seulement fonction de la surface effective des étoiles  • Évaporation • Focalisation gravitationnelle • Capture par effet de marée

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

10. Énergie Orbitale E+e }+e 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;

11. 1. Évaporation stellaire + Centre de gravité Énergie totale = E

12. 1. Évaporation stellaire Énergie petite étoile = e Énergie étoiles restante = E - e + Énergie totale = 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);

13. Évaporation • Eeau - corps = Toeau sur corps • Évaporation gouttes d ’eau requiert énergie = eevap • E restante= Eeau-corps – eevap • E restantediminue; • Toeau sur corps diminue; • On gèle…

14. 2. Focalisation gravitationnelle • L’attraction mutuelle des étoiles augmente leur « surface effective de collisions »  en rapprochant leur trajectoires respectives.

15. 2. Focalisation gravitationnelle - Probabilité de collision fonction de la dimension de l’étoile / la distance entre les étoiles

16. 2. Focalisation gravitationnelle Surface Effective. • Focalisation gravitationnelle augmente la surface « effective » de l’étoile en déviant la trajectoire des étoiles, donc augmente la probabilité de collision.

17. 3. Capture par effet de marée • Étoile à neutrons ou trou noir déforme l’étoile passant à proximité (effet de marée) provoquant ainsi une perte d’énergie forçant les deux astres à entrer en orbite. • La perte continuelle d’énergie due à l’effet de marée va entraîner une collision éventuelle des deux corps.

18. 3. Capture par effet de marée emarée Énergie système E = Etn+ Ee + emarée Trou noir • Énergie totale du système = énergie du trou noir + énergie étoile • En passant près du trou noir, l’effet de marée déforme l’étoile ce qui rajoute au système une énergie = emarée • 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;;

19. 3. Capture par effet de marée Énergie système E = Etn+ Ee + emarée Trou noir • Énergie totale du système = énergie du trou noir + énergie étoile • En passant près du trou noir, l’effet de marée déforme l’étoile ce qui rajoute au système une énergie = emarée • 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;

20. Scène de l’accident • Que se passe-t-il lorsque deux étoiles entrent en collision? • Fonction de: • Vitesse relatives des étoiles; • Paramètres d’impact (trajectoires); • Types d’étoiles, densité etc.;

21. Scène de l’accident

22. Scène de l’accident

23. Scénario 1 : Collision Séquence principale – Séquence principale • Étoile moins massive (plus dense) ressort moins affectée de l’impact; • Onde de choc générée est insuffisante pour allumer des réactions nucléaire et éjecter les gaz de l’étoile plus dense; • Une nouvelle étoile en rotation rapide émerge, résultante de la fusion des deux étoiles; • Seulement une petite fraction des gaz est éjectée; • http://www.ifa.hawaii.edu/faculty/barnes/research/stellar_collisions/index.html • http://haydenplanetarium.org/resources/ava/page/index.php?file=S0605stelcoll

24. Blue Stragglers (traînarde bleue) Masse: 1 Msol Durée Vie: 10 Milliard Années T= 5 Milliard Années Masse: 1 Msol Durée Vie: 10 Milliard Années T= 5 Milliard Années Masse: ~2 Msol Vie: 800 Million Années T= 5 Milliard Années

25. Blue Stragglers (traînarde bleue) • Pour les trouver, on doit chercher dans des champs d’étoiles identiques: Amas globulaires dans lesquels les étoiles sont toutes nées à peu près en même temps (étoiles très anciennes); • La formation de nouvelles étoiles est inexistante depuis quelques milliards d’années étant donné l’absence de gaz; • On doit y chercher des géantes bleues près du centre de l’amas; • Allan Sandage trouva en 1953 des étoiles bleus au centre d’amas globulaires;

26. Blue Stragglers

27. Blue Stragglers (traînarde bleue)

28. Blue Stragglers (traînarde bleue)

29. Blue Stragglers (traînarde bleue) 47 Tucanea - UV

30. Blue Stragglers (traînarde bleue) M 15 - UV

31. Scénario 2 : Collision Naine blanche – Séquence principale • Naine blanche entre en collision à environ 600 km/s. Collision génère une onde de choc hypersonique qui réchauffe l’étoile entière au delà de la température de fusion; • La naine blanche de densité + élevée (10Mx soleil) l’emporte; • Étoile consume 100M années de combustible en 1h; • L’onde de choc expulse les gaz de l’étoile à une vitesse beaucoup plus élevée que la vitesse d’échappement;

32. Scénario 2 : Collision Naine blanche – Séquence principale • Énergie dégagée vaporise les océans sur terre; • Étoile forme une nébuleuse gazeuse. Planètes ne sont plus retenues par la gravitation de l’étoile et s’enfoncent dans l’espace; • Naine blanche ressort inaffectée de la rencontre; • http://www.ukaff.ac.uk/movies.shtml • Ref: UK Astrophysical Fluids Facility.

33. Scénario 3 : Collision Trou Noir – Séquence principale • Étoile est complètement détruite en approchant trop près du trou noir; • Gaz résiduels forment un disque d’accrétion; • Exemple collision trou noir de 10 Msol et du soleil; • http://www.ifa.hawaii.edu/faculty/barnes/research/stellar_collisions/index.html

34. Scénario 4 : Collision Étoile Neutron – Étoile Neutron • Étoiles perdent de l’énergie en émettant des ondes de gravitation en orbitant l’une autour de l’autre; • Perte d’énergie entraîne un rapprochement des étoiles; • La vitesse de rotation approche des valeurs relativistiques (~1/4 c); • Lors du premier contact, la coalescence se complète en 5/1000 sec; • http://www.ukaff.ac.uk/movies.shtml • http://www.astro.ex.ac.uk/people/dprice/research/nsmag/ • http://www.faculty.iu-bremen.de/srosswog/movies.html

35. Scénario 5 : Collision Trou Noir – Trou Noir • Trou noirs perdent de l’énergie en émettant des ondes de gravitation ce qui cause leur rapprochement; • Le contact se fait à la vitesse de la lumière. Imaginez plusieurs millions (milliard) de masse solaire qui se rencontrent à ces vitesses…; • L’énergie dégagée lors de la coalescence surpasse de loin l’énergie dégagée par toutes les étoiles de l’univers;

36. Scénario 5 : Collision Trou Noir – Trou Noir • L’énergie dégagée est sous forme d’ondes gravitationnelles; • Ondes peuvent être émises pendant plusieurs semaines; • Ondes changent la dimension d’un être humain d ’une fraction de la largeur d’un atome; • Éventuellement détec- tables par LIGO;

37. Scénario 5 : Collision Trou Noir – Trou Noir • http://www.aip.org/png/2006/256.htm • http://chandra.harvard.edu/photo/2002/0192/animations.html • Simulation 3-D réalisée sur super-ordinateur Columbia NASA Ames Research Center • http://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/gwave.html

38. NGC 1128 – Optique Scénario 5: Collision Trou Noir – Trou Noir

39. NGC 1128 – Rayon X NGC 1128 – Rayon X

40. NGC 1128 – Radio NGC 1128 – Radio

41. NGC 1128 – Rayon X, Radio - 25,000 AL de séparation

42. NGC 6240 – Rayon X, Radio - 3,000 AL de séparation

43. Merci!