Une instabilité hydrodynamique fondamentale, jouant un rôle déterminant dans l’explosion des étoiles massives, vient d’être mise en évidence par une équipe française conduite par Thierry Foglizzo du Service d'Astrophysique - Laboratoire AIM (CEA/Irfu – CNRS - Université Paris-Diderot) grâce à une expérience très simple utilisant l'analogie entre les ondes sonores au sein d’un gaz et le mouvement des vagues à la surface de l'eau. L’expérience, basée sur l’écoulement d’une mince couche d’eau permet de reproduire et d’étudier un analogue des instabilités provoquant une profonde asymétrie dans l’explosion d’une étoile et la naissance d'une étoile à neutrons en dépit de conditions initiales sphériques. Jusqu’ici, ces instabilités n’avaient pu être étudiées que par des simulations numériques. Avec cette expérience, les chercheurs ont pu établir un parallèle inattendu et spectaculaire entre un phénomène familier, le mouvement de l’eau, et la dynamique du gaz stellaire qui gouverne l’explosion d'une étoile. Ces travaux, qui mêlent de manière originale, théorie, simulations numériques et analogie expérimentale d'un même phénomène astrophysique, font l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters du 3 février 2012.
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Dans un bassin alimenté à la périphérie et épousant la forme d'un puits de potentiel gravitationnel, l'écoulement d'eau initialement symétrique se transforme progressivement en mouvement oscillatoire. Ce phénomène est identique, à une échelle un million de fois plus petite, à celui qui conduit à l'éjection d'une étoile à neutrons lors d'une explosion de supernova. (Crédit CEA-SN2NS). |
L'expérience SWASI, des ondes sonores aux vagues
L'expérience mise au point par les chercheurs, appelée SWASI pour "Shallow Water Analogue of a Shock Instability" (couche d'eau mince analogue d'une instabilité de choc) est un analogue hydraulique de l'instabilité SASI [1], basé sur l'analogie entre les ondes sonores dans un gaz et les vagues à la surface de l'eau. Dans un gaz en effondrement gravitationnel, les ondes sonores et les tourbillons interagissent entre l'étoile à neutrons et une onde de choc stationnaire selon un mécanisme élucidé au CEA/SAp en 2006. Dans l'expérience SWASI, les vagues de surface et les tourbillons interagissent de la même manière, construisant une oscillation de la masse d'eau qualifiée de "ressaut hydraulique stationnaire".
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).
Le ressaut hydraulique de 20 cm de rayon oscille avec une période d'environ 3 secondes. Dans une étoile en effondrement, le choc s'étend sur 200km et sa période d'oscillation est de 30 millisecondes. L'expérience SWASI est donc un million de fois plus petite et environ 100 fois plus lente que son analogue astrophysique.
Simulation numérique et expérience, deux outils complémentaires
L'équipe a vérifié, à l'aide de simulations numériques, qu'une modélisation 2D de l'expérience reproduit fidèlement la période caractéristique des oscillations. L'utilisation conjointe de l'expérience et de la simulation numérique permet de dépasser les limitations inhérentes à chaque méthode et de valider la nature physique des phénomènes observés. En particulier, l'expérience confirme l'effet potentiel de l'instabilité sur la rotation de l'étoile à neutrons. Bien que le fluide soit injecté sans rotation, le développement de l'instabilité peut induire une rotation globale du ressaut hydraulique dans un sens, pendant que les régions internes tournent dans le sens opposé.
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Confrontation entre expérience (à gauche) et simulation numérique 2D (à droite). Le ressaut hydraulique tourne dans un sens tandis que le fluide des régions internes tourne dans le sens opposé, révélé par la rotation du tourniquet central. Ces deux mouvements sont reproduits dans la simulation numérique, où l'échelle de couleur indique l'intensité des tourbillons. (Crédit CEA, films disponibles sur le site SN2NS). |
SWASI, une expérience scientifique et pédagogique
L'expérience SWASI établit un parallèle inattendu entre le phénomène familier de ressaut hydraulique, observé quotidiennement dans un évier de cuisine, et la dynamique qui gouverne la naissance d'une étoile à neutrons et d'une supernova. Les résultats expérimentaux confirment que le caractère non sphérique de l'explosion des supernovae est une conséquence robuste de la mécanique des fluides. Facile à utiliser, ce nouvel outil d'investigation sera prochainement modifié pour incorporer les effets de la rotation de l'étoile en effondrement. La simplicité du dispositif expérimental est propice à une approche intuitive et pédagogique de phénomènes astrophysique complexes. Deux nouveaux prototypes sont en construction par le Service d’Ingénierie des Systèmes (SIS) de l'Irfu et devraient être achevés en septembre 2012. Le dispositif a été proposé au Palais de la Découverte dans le cadre de futures animations et expositions qui verront prochainement le jour sur le thème de l’Astrophysique et de l’Univers.
Contact : Thierry FOGLIZZO
"A Shallow Water Analogue of the Standing Accretion Shock Instability: Experimental Demonstration and Two-Dimensional Model"
T. Foglizzo, F. Masset, J. Guilet, G. Durand
publié dans la revue Physical Review Letters du 3 février 2012.
pour une version electronique, Astro-ph, fichier pdf (320 Ko)
Lire également (en anglais) le point de vue " Seeing Stellar Explosions with Shallow Water " paru sur le site Physics
Voir : le communiqué de presse du CEA (3 Février 2012)
Voir également : Le site SN2NS (SuperNova to Neutron Stars) : des films de l'expérience et plusieurs simulations numériques sont disponibles dans la rubrique "Outreach"
Pour en savoir plus : Explosion asymétrique des supernovae (1 décembre 2006)
Des fusées aux trous noirs (22 février 2005)
De l’instabilité advective-acoustique aux explosions asymétriques des Supernovae de type II (25 octobre 2005)
Notes :
[1] L'instabilité appelée SASI pour Stationary Accretion Shock Instability joue un rôle crucial pendant la seconde qui précède l'explosion en supernovae: les mouvements transverses détournent la matière en effondrement d'une chute directe sur l'étoile à neutrons, l'exposant ainsi plus longtemps au flux de neutrinos. Si ces neutrinos déposent suffisamment d'énergie pour inverser le mouvement d'effondrement en explosion, les déformations asymétriques initiées par SASI ont pour conséquence une explosion asymétrique.
Rédaction : Thierry Foglizzo, Christian Gouiffès
• Structure et évolution de l'Univers › Phénomènes cosmiques de haute énergie et astroparticules
• Le Département d'Astrophysique (DAp) // UMR AIM • Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS)
