Effets de marée : rupture explosive d'étoiles par un trou noir géant

Cet article passe en revue les développements récents dans l'étude du comportement d'un corps en mouvement dans le champ de marée d'une source rigide compacte. Depuis les travaux de pionnier de Roche et de ses successeurs, il est bien connu qu'il existe des figures d'équilibre stationnaire ellipsoïdales pour un corps homogène incompressible en orbite circulaire dont le rayon dépasse une limite critique de Roche, donnée par (M/ρ *)1/3, où M est la masse de la source et ρ * la densité du corps déformé. Quand le corps se déplace dans un champ de marée variable, du moment angulaire et des mouvements internes de vorticité uniforme se développent de façon à maintenir une figure ellipsoïdale. Le sort ultime d'un corps transgressant la limite de Roche peut être élucidé en intégrant les équations du mouvement interne. Le corps est généralement détruit après son passage dans le rayon de Roche, sa forme évoluant vers un cigare indéfiniment long et mince pour une pénétration modeste ou vers un disque indéfiniment plat en cas de pénétration plus grande. Suivant l'idée originale de Carter et Luminet (1982), l'article attire ensuite l'attention sur le fait que la compressibilité du matériel stellaire conduit à un comportement radicalement différent en cas de forte pénétration dans le rayon de Roche, en ce sens que la rupture est précédée d'une brève phase de très forte compression dans une configuration aplatie en crêpe, au cours de laquelle la densité et la température dans le coeur de l'étoile peuvent augmenter assez pour faire détoner une fraction importante du fuel thermonucléaire disponible. On peut s'attendre à des effets semblables lors de collisions directes entre deux étoiles identiques animées d'une vitesse relative dépassant largement la vitesse de libération minimale requise pour la rupture. En ce qui concerne le problème de marée, des estimations quantitatives peuvent être faites dans le cadre d'un modèle d'étoile affine idéalisé, où l'on suppose que les couches de densité constante gardent une forme ellipsoïdale. Le modèle affine, qui inclut la compressibilité et des effets non adiabatiques tels que la génération d'énergie nucléaire et la dissipation visqueuse, est complètement décrit en termes d'une matrice 3 x 3 de déformation, dont l'évolution détermine les variations temporelles des axes principaux de l'ellipsoïde et des composantes du vecteur de vitesse angulaire et du vecteur de vorticité. On rappelle comment la plupart des propriétés mécaniques bien connues des modèles incompressibles peuvent se généraliser au modèle affine compressible. L'application du modèle affine au problème d'une étoile plongeant profondément dans le rayon de Roche d'un trou noir géant permet d'évaluer les quantités physiques extrêmales telles que densité, température, etc... dans la configuration en crêpe, en fonction du facteur de pénétration. Les calculs analytiques et numériques mènent à la conclusion que le noyau d'une étoile ordinaire de la séquence principale pénétrant d'un facteur ∼ 15 subit une compression et un chauffage à environ 10^6 g/cm3 et 10^9 K pendant 1 seconde lors du passage au périastre. Lorsque le champ gravitationnel extérieur est décrit dans le cadre de la Relativité Générale en termes de la géométrie spatio-temporelle de Schwarzschild, des effets de compressions multiples se produisent en maintes circonstances. Les phénomènes spectaculaires provenant de la détonation nucléaire de certains éléments de l'étoile sont ensuite passés en revue, depuis la capture accélérée de protons par les éléments de masse intermédiaire jusqu'à la plus rare, mais beaucoup plus énergétique, combustion explosive de l'hélium. Par l'effet de fronde bien connu, le gaz stellaire peut être finalement éjecté avec des vitesses de plusieurs milliers de km/s et échapper définitivement au puits gravitationnel du trou noir. Il est couramment accepté que les phénomènes très énergétiques dans les noyaux de galaxies peuvent s'expliquer par l'accrétion de gaz sur un trou noir géant, le gaz nécessaire étant vraisemblablement produit lors de la rupture d'étoiles par effet de marée ou par collision interstellaire à grande vitesse au voisinage du trou noir. On peut donc espérer que le mécanisme de rupture explosive d'une étoile jette quelques lueurs nouvelles sur l'évolution générale des noyaux galactiques. Il propose de plus un site astrophysique nouveau, riche en hydrogène, pour la nuclésynthèse des isotopes lourds