Les étoiles naissent, vivent et meurent. Parmi les milliards de milliards d'étoiles de l'Univers, notre Soleil est une étoile de grosseur moyenne au milieu de son évolution, même si dans notre galaxie, la Voie lactée, il est plutôt imposant. Environ sept étoiles sur dix qui s’y trouvent sont beaucoup plus petites, plus froides et moins lumineuses que lui.

Mais à l’échelle universelle, le Soleil est minuscule avec son diamètre de 1,4 million de kilomètres. Par comparaison, l’immense Bételgeuse présente un diamètre d’environ 1,4 milliard de kilomètres, ce qui correspond à environ 1000 fois celui du Soleil. Et ce n’est pas la plus imposante.

Ce sont précisément les derniers instants des étoiles les plus massives qui donnent naissance aux phénomènes les plus spectaculaires de l'Univers, mais aussi les plus difficiles à comprendre.

Cette visualisation artistique représente la forme initiale de l'explosion de la supernova SN 2024ggi.

Photo : ESO

Le point de départ : la cataclysmique supernova

On peut comparer une étoile en fin de vie à la structure en couches d’un oignon.

Lorsqu’elle épuise la réserve d’hydrogène en son cœur, l'étoile perd son équilibre. Pour résister à sa propre gravité, son cœur se contracte, s'échauffe et commence à fusionner des éléments de plus en plus lourds : l'hélium devient du carbone, puis du néon, de l'oxygène, du silicium. Chaque étape crée ainsi une nouvelle pelure d'oignon.

La fusion des éléments finit par produire un cœur de fer. Mais le fer n'est pas un combustible : la fusion du fer ne produit pas d'énergie, elle en consomme. Privé de sa source de chaleur, le cœur ne peut plus soutenir le poids de l'étoile et la gravité l'emporte : le cœur s'effondre sur lui-même en une quinzaine de millisecondes. Une onde de choc colossale traverse ensuite le reste de l'étoile, et boum! C'est la supernova.

Depuis la Terre, les astronomes observent l’intense lumière émise par la matière éjectée par ce feu d’artifice lointain. Et le pic de son éclat est atteint en un peu plus de deux semaines, mais il peut durer plusieurs mois.

Ce qui suit l’explosion d’une étoile dépend de sa masse initiale.

Si l'étoile est moyennement massive, elle laisse derrière elle une étoile à neutrons et peut-être un pulsar. Si l’étoile est très massive, sa mort mène à l’apparition d’un trou noir.

La nébuleuse du Crabe. En son centre se trouve une étoile à neutrons, une étoile extrêmement dense issue d'une supernova. L'étoile émet un pulsar, un faisceau de rayonnement visible de la Terre, tel un phare cosmique.

Photo : NASA

Le pulsar : un phare dans le cosmos

Le résidu d’une supernova peut ainsi prendre la forme d’une étoile à neutrons.

Certaines de ces étoiles à neutrons tournent extrêmement rapidement sur elles-mêmes en émettant un rayonnement électromagnétique très énergétique.

Sa rotation extrêmement rapide et son puissant champ magnétique produisent un rayonnement qui crée un signal qui se répète à intervalles réguliers.

On peut comparer le phénomène à un phare maritime, dont le jet lumineux balaie le ciel de façon périodique. De la Terre, ce faisceau ressemble à une pulsation, d'où le nom pulsar.

Le pulsar PSR J1023+0038 (illustration artistique)

Photo : ESA

Si la Terre ne se trouve pas sur la trajectoire de ce faisceau, il est impossible d’observer les impulsions régulières et l'étoile reste invisible à nos radiotélescopes en tant que pulsar.

Lorsqu’il est perceptible, le signal est tellement régulier qu’il sert de véritable phare cosmique, ce qui permet aux astrophysiciens de s’en servir comme repères de positionnement.

Le pulsar le plus connu est situé au centre de la nébuleuse du Crabe. Ce pulsar est né à la suite d'une supernova observée et documentée par les astronomes chinois depuis 1054. C'est l'un des rares pulsars que l’on peut observer non seulement en ondes radio, mais aussi en lumière visible, en rayons X et en rayons gamma.

Ce GIF montre le disque de gaz qui tourne autour d'un trou noir. L'extrême gravité du trou noir modifie les trajectoires de la lumière provenant de différentes parties du disque, ce qui produit une image déformée.

Photo : (Centre de vols spatiaux Goddard de la NASA/Jeremy Schnittman)

Le trou noir : la gravité à son paroxysme

Un trou noir n'est pas un trou à proprement parler, mais il est vraiment noir!

C’est une zone de l’espace où une très grande quantité de matière est concentrée dans un volume extrêmement petit. Comme si une montagne se trouvait dans une bille. La gravité y est si intense que rien ne peut s’échapper, ni la matière ni la lumière.

Autour d'un trou noir, on distingue généralement trois régions importantes :

• La singularité se situe en son centre : c'est le cœur du trou noir. Toute la masse s'y retrouve comprimée dans un point d'une densité virtuellement infinie.
• L'horizon des événements : c'est la frontière physique, le point de non-retour. Une fois que la matière franchit cette limite, elle disparaît à jamais. Du moins selon l’état de nos connaissances.
• Le disque d'accrétion : c’est le disque de gaz et de matière qui tourne autour du trou noir avant d'être avalé par le trou noir ou expulsé sous forme de jets. C'est souvent grâce à ce disque que les astrophysiciens détectent la présence des trous noirs supermassifs au centre des galaxies.

Cette impression artistique montre ce qui se passe lorsqu'une étoile s'approche trop près d'un trou noir, où l'étoile est comprimée par l'intense attraction gravitationnelle du trou noir. Une partie de la matière de l'étoile est aspirée et tourbillonne autour du trou noir, formant le disque d'accrétion.

Photo : ESO/M.Kornmesser

Trois types de trous noirs ont été détectés à ce jour.

Ceux qui naissent à la suite d’une supernova sont les plus répandus et sont appelés trous noirs stellaires. Leur masse peut atteindre quelques dizaines de fois celle du Soleil.

Un trou noir stellaire (illustration artistique)

Photo : Université d'État de l'Ohio

Les trous noirs intermédiaires naissent de la fusion successive de trous noirs stellaires ou du cœur d’amas d’étoiles très denses.

L'origine des trous noirs supermassifs reste débattue. Les astrophysiciens pensent qu'ils se sont formés très tôt dans l'histoire de l'Univers et qu'ils ont ensuite grandi en accumulant de la matière et en fusionnant avec d'autres trous noirs.

Notre Voie lactée possède en son centre un trou noir supermassif appelé Sagittarius A*. La galaxie compte aussi entre 10 millions et 1 milliard de trous noirs stellaires.

Parmi les trous noirs stellaires les plus proches connus de la Terre figure Gaia BH1, situé à environ 1560 années-lumière du Système solaire dans la constellation d'Ophiuchus.

Le quasar : le cœur hyperactif des galaxies

Un quasar, c'est le cœur extrêmement brillant et énergique d'une galaxie lointaine.

C'est l'un des objets les plus lumineux et les plus énergétiques que l’humain ait détectés dans l'Univers.

Mais comment naissent-ils? Certains trous noirs supermassifs au centre de galaxies peuvent atteindre plusieurs milliards de fois la masse du Soleil.

Lorsqu'une quantité importante de gaz et de matière s'approche du disque d'accrétion de ces mastodontes cosmiques, la friction extrême et la gravité les chauffent à des millions de degrés.

Cette impression artistique montre à quoi devaient ressembler le lointain quasar P172+18 et ses jets radio.

Photo : ESO/M. Kornmesser

Cette matière surchauffée émet une quantité phénoménale de lumière, de rayons X et de rayonnement ultraviolet.

Chez plusieurs quasars, une partie de cette énergie est ensuite canalisée en deux puissants jets.

Un seul quasar peut émettre autant de lumière que 100 à 1000 galaxies entières réunies, alors que le trou noir central n'a que la taille de notre Système solaire.

La plupart des quasars sont situés à des milliards d'années-lumière. On les observe tels qu'ils étaient quand l'Univers était très jeune. Leur étude permet aux astrophysiciens d'étudier les premières étapes de la formation des galaxies.

Le sursaut gamma : le flash le plus puissant de l'Univers

La toile de l’Univers est également marquée par un autre événement très énergique : le sursaut gamma. En fait, c’est l’explosion la plus puissante et la plus lumineuse observée dans l'Univers depuis le big bang.

Illustration artistique d’un sursaut de rayons gamma

Photo : NASA

En quelques secondes, le flash d’un sursaut gamma libère autant d'énergie que le Soleil produira durant toute sa vie de 10 milliards d'années.

Deux phénomènes peuvent créer un sursaut gamma :

• l'effondrement d'une étoile massive crée des sursauts gamma longs, qui durent entre 20 et 40 secondes. Mais certains peuvent durer plusieurs minutes.
• la fusion de deux étoiles à neutrons ou d'une étoile à neutrons avec un trou noir crée des sursauts gamma courts, de quelques millisecondes à environ 0,3 seconde.

Si un sursaut gamma situé à des milliards d'années-lumière est perceptible de la Terre, c'est parce que l’un de ses deux jets pointe vers la Terre. S'il pointe ailleurs, l'événement reste invisible de notre planète.