Le fossé de masse : étoiles à neutrons et trous noirs

Dans l'univers, on trouve différents types d'étoiles. Certaines deviennent des Étoiles à neutrons, tandis que d'autres s'effondrent en trous noirs. Mais il y a une drôle de lacune dans la masse entre les étoiles à neutrons classiques et les trous noirs de masse stellaire. Cette lacune n'est pas complètement vide, mais on n'est pas encore sûr de ce qui cause ce phénomène. Une explication récente se concentre sur la façon dont certaines étoiles explosent, particulièrement à la fin de leur vie.

Quand une étoile massive épuisée son carburant nucléaire, elle ne peut plus se soutenir contre la gravité. Ça provoque un effondrement, entraînant une explosion de Supernova. Ces explosions peuvent se produire de différentes manières. Deux théories principales ont été envisagées. L'une est le mécanisme d'explosion par neutrinos retardés, et l'autre est le mécanisme d'explosion par Jets tremblants (JJEM). Les deux théories examinent comment le cœur de l'étoile s'effondre et comment cet effondrement mène à l'explosion.

Le JJEM se concentre sur les jets de matière qui sont lancés pendant l'explosion. Quand une étoile à neutrons se forme à partir du cœur effondré, elle peut aspirer la matière environnante. Ce processus d'accrétion implique le Moment angulaire, qui est la force de rotation influençant comment la matière se déplace. Dans le JJEM, il y a deux principales sources de moment angulaire affectant la nouvelle étoile à neutrons : un composant aléatoire qui change de direction et un composant constant provenant de la rotation de l'étoile avant l'effondrement.

Dans les étoiles qui tournent lentement avant de s'effondrer, le moment angulaire aléatoire peut créer des structures irrégulières autour de l'étoile à neutrons. Ces structures peuvent amener des jets de matière à être expulsés dans diverses directions. C'est important parce que quand les jets sont lancés dans toutes les directions, ils peuvent écarter la matière autour de l'étoile à neutrons, la laissant comme un reste.

À l'inverse, si l'étoile tourne rapidement avant de s'effondrer, la situation change. Le moment angulaire reste aligné, et les jets sont principalement dirigés le long de cet axe stable. Par conséquent, la matière continue de tomber vers l'étoile à neutrons sur les côtés, lui permettant d'accumuler de la masse jusqu'à ce qu'elle devienne un trou noir.

La transition entre ces deux états - de rotation lente à rotation rapide - est relativement étroite. Cette transition est importante car elle aide à expliquer la population clairsemée d'objets trouvés dans la lacune de masse entre les étoiles à neutrons et les trous noirs. Ça montre l'équilibre délicat des conditions qui mènent à différents états finaux de l'étoile après l'explosion.

Quand les jets sont lancés de l'étoile à neutrons, ils jouent un rôle crucial dans la détermination de la masse restante. Dans les cas où les jets sont dirigés vers l'extérieur, ils peuvent efficacement repousser la matière environnante, menant à la formation d'une étoile à neutrons. Cependant, quand les jets évitent la région équatoriale, ils ne repoussent pas la matière là, ce qui permet à plus de masse de s'accumuler et de transformer l'étoile à neutrons en trou noir.

La direction changeante du moment angulaire résulte de fluctuations aléatoires dans le cœur avant l'effondrement. Ces fluctuations peuvent être causées par des courants de convection ou des instabilités qui deviennent significatives durant l'effondrement stellaire. À mesure qu'une étoile s'effondre, ces mouvements de matière sont amplifiés, menant à des formations de jets irrégulières.

Ces variations créent une situation où les jets peuvent être lancés dans différentes directions, mais il peut également y avoir des périodes où le moment angulaire reste stable. Quand cela arrive, ça peut mener à des jets qui ne peuvent pas éjecter de matière de la région équatoriale environnante. Au lieu de ça, la matière continue d'être aspirée, et cela peut entraîner l'accumulation de plus de masse par l'étoile à neutrons.

Le processus global est complexe, et le comprendre nécessite de regarder divers scénarios sur l'évolution des étoiles au fil du temps. À mesure que la masse de l'étoile à neutrons augmente, son destin change. Les jets peuvent emporter de l'énergie du système, et cette énergie joue un rôle dans les événements explosifs qui se produisent.

Il est crucial de comprendre que quand une étoile à neutrons se forme, elle ne restera peut-être pas une étoile à neutrons longtemps. Si elle commence à accumuler de la masse rapidement de son environnement - grâce à l'accrétion - elle peut finalement franchir un seuil où elle se transforme en trou noir. Le mécanisme de rétroaction dans ce système est vital ; quand les jets sont efficaces, ils peuvent mener à des événements de supernova qui donnent naissance à des étoiles à neutrons. En revanche, quand les jets sont inefficaces et permettent l'accumulation de masse, des trous noirs peuvent se former.

Pour compliquer encore plus les choses, il y a la nature de la matière entourant l'étoile. À mesure que le cœur s'effondre et que les jets sont éjectés, la dynamique du flux de matière peut changer. Certaines études suggèrent que dans certaines situations, les jets peuvent encore être lancés même quand le moment angulaire spécifique est en dessous du seuil typique nécessaire pour former une structure en disque autour de l'étoile.

La distribution des jets est aussi essentielle. Quand ils sont dirigés vers le plan équatorial, ils peuvent influencer la matière environnante différemment que quand ils sont dirigés le long des pôles. Les angles des jets peuvent varier largement selon les conditions dans l'étoile avant qu'elle n'explose. Comprendre ces distributions aide les scientifiques à décrypter pourquoi certaines masses sont observées plus fréquemment que d'autres.

Les jets jouent un rôle clé dans la détermination de l'issue de l'événement explosif. Ils peuvent expliquer beaucoup de propriétés observées des supernovae. Par exemple, ils peuvent expliquer pourquoi certaines supernovae semblent plus énergétiques que d'autres et comment elles s'écartent de la symétrie sphérique.

Cette enquête éclaire les mécanismes menant à la lacune de masse entre les étoiles à neutrons et les trous noirs. L'interaction entre le moment angulaire, la dynamique des jets et les conditions présentes durant l'effondrement d'une étoile façonne l'issue. Si une étoile à neutrons peut expulser efficacement la matière environnante via des jets, elle restera une étoile à neutrons. Cependant, si les conditions permettent une accumulation de masse sans entrave, l'étoile à neutrons évoluera bientôt en trou noir.

En conclusion, la lacune de masse entre les étoiles à neutrons et les trous noirs sert de fenêtre sur les processus qui gouvernent l'évolution et la mort des étoiles. Les différents mécanismes d'explosion fournissent un cadre pour comprendre comment certaines étoiles évoluent en étoiles à neutrons tandis que d'autres se transforment finalement en trous noirs. Les divers rôles du moment angulaire et de la dynamique des jets sont cruciaux pour saisir ce mystère cosmique. Grâce à la recherche continue et à l'observation, les scientifiques continuent d'améliorer leur compréhension de ces phénomènes stellaires.