Quatre chercheurs français ont pour la première fois recréé en laboratoire une instabilité hydrodynamique proche de celle provoquée lors d'une explosion d'une étoile en supernovae. L'instabilité hydrodynamique est un phénomène déterminant qui a lieu lors d'une explosion d'étoile massive. Il a été mis en évidence à l'aide d'un système ingénieux utilisant l'analogie entre les ondes sonores au sein d'un gaz et le mouvement des vagues à la surface de l'eau d'un bassin. Cette expérience, menée par les chercheurs Thierry Foglizzo, Frédéric Masset, Jérôme Guilet, et Gilles Durand (AIM (1), CEA (2), CNRS, et Université Paris Diderot) a été publiée le 03 février 2011 dans le Physical Review Letters.

La supernovae SN 1006 qui fut observée en l'an 1006 au voisinage de l'étoile β Lupi, dans la constellation du Loup. Crédit image : NASA.

Lorsqu'elles meurent, les étoiles massives s'effondrent sous leur propre poids puis explosent en devenant très lumineuses : on parle de supernova. Malgré des décennies d'études intensives, le mécanisme par lequel une étoiles explose reste toujours un mystère. L'explosion est déclenchée lorsque le noyau de fer d'une étoile massive s'effondre gravitationnellement, donnant alors naissance à une étoile à neutrons. Le gaz situé dans le noyau interne atteint bientôt des densités nucléaires, celui-ci s'arrête brusquement de s'effondrer sur lui même et rebondit vers l'extérieur, entraînant une forte onde de choc se déplaçant vers les couches extérieures de l'étoile. Les simulations montrent que ce choc se bloque dans un rayon de 100 à 200 km, formant une sorte de tunnel ou polype à travers lequel la matière continue à passer retombant sur la proto-étoile à neutrons sur un rayon de plusieurs dizaines de km.

Crédit image : IRFU/CEA/SACLAY, laboratoire AIM.

Pour produire les explosions observées, quelque chose doit re-dynamiser le choc de sorte qu'il puisse traverser l'étoile et délier les couches extérieures. L'identification de ce "quelque chose" est le problème clé de la théorie de la supernova. Le développement d'instabilités provoque une profonde asymétrie dans l'explosion et peut être à l'origine de l'expulsion de l'étoile à neutrons à plusieurs centaines de kilomètres par seconde en dépit de conditions initiales sphériques. Étudiée jusqu'à présent exclusivement grâce à des simulations numériques, l'instabilité hydrodynamique responsable de cette asymétrie vient d'être mise en évidence dans une expérience simple. L'utilisation conjointe de l'expérience et de la simulation numérique permet ici de valider la nature réellement physique des phénomènes observés.

Le dispositif de l'expérience utilisé par les chercheurs du laboratoire AIM (CEA, CNRS, Université Paris Diderot), et baptisée SWASI (Shallow Water Analogue of a Shock Instability), est très simple. Dans une vasque d'eau alimentée par la périphérie, l'écoulement de l'eau est similaire à la chute du gaz vers la surface de l'étoile à neutrons. L'interaction des vagues et des tourbillons dans l'expérience est en tout point semblable à celle des ondes sonores et des tourbillons dans l'étoile. Ce même mécanisme d'instabilité brise alors la symétrie sphérique de l'effondrement et est à l'origine de l'expulsion de l'étoile. Ainsi, ce dispositif expérimental établit un parallèle inattendu et spectaculaire entre un phénomène familier, le mouvement de l'eau, et la dynamique qui gouverne l'explosion asymétrique d'une étoile.

Crédit image : IRFU/CEA/SACLAY, laboratoire AIM.

La chute de gaz vers le centre de l'étoile est analogue à la chute de l'eau le long d'une surface en forme d'entonnoir. L'onde de choc produite par la chute du gaz sur l'étoile à neutron centrale est remplacée dans l'expérience par un ressaut hydraulique, semblable à celui qui se forme dans un évier de cuisine (à gauche). Le ressaut hydraulique sépare une région où le fluide se déplace plus vite que les vagues, d'une région plus profonde et plus lente. Dans l'expérience (schéma du milieu), l'eau est injectée par une fente dans un réservoir annulaire (R), de l'extérieur vers un tuyau central (C). Une pompe (P) établi un circuit fermé. Le ressaut initialement circulaire (à droite) devient instable lorsque le débit est suffisant (voir vidéo en haut de page). 

Thierry Foglizzo et son équipe espèrent que leur expérience fournira un nouvel outil pour étudier les aspects hydrodynamiques de la physique des supernovae. C'est grâce à ce type d'expérience et à aux perfectionnements des simulations que les scientifiques perceront un jour le mécanisme des explosions stellaires.

(1) AIM : Astrophysique, Instrumentation et Modélisation.

(2) CEA-Irfu (Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers).