Objets compacts - LUTH - Observatoire de Paris

astre
Terre
Soleil
naine blanche
étoile à neutrons
trou noir
stellaire
trou noir
massif
1.2 Relation avec l’astrophysique des hautes énergies 5
contre-poids
de la gravitation
forces électromag.
(structure cristalline)
pression thermique
pression de radiation
press. de dégénéresc.
des électrons (Pauli)
masse M
[M⊙]
rayon R
[km]
densité ρ
[kg m −3 ]
paramètre de
relativité Ξ
3 × 10 −6 6 × 10 3 5 × 10 3 10 −10
1 7 × 10 5 10 3 10 −6
0.1 à 1.4 ∼ 10 4 ∼ 10 10 10 −4 à 10 −3
interaction forte
entre les baryons 1 à ∼ 3 ∼ 10 ∼ 10 18 ∼ 0.2
pas de
contre-poids
pas de
contre-poids
>∼ 3
9
(M = 3 M⊙) 0 1
∼ 10 9 20 UA 0 1
Tab. 1.1 – Caractéristiques moyennes de divers objets astrophysiques et leurs paramètres de relativité
Ξ ∼ |Egrav|/Mc 2 ∼ Rs/R.
1.2 Relation avec l’astrophysique des hautes énergies
Les astres compacts sont intimement liés à l’astrophysique des hautes énergies par un
mécanisme de libération de l’énergie de masse E = mc 2 très efficace : l’effondrement gravitationnel
vers un objet compact. Cet effondrement peut prendre deux formes différentes :
il peut s’agir de l’accrétion de matière par un astre compact ou bien d’un phénomène
beaucoup plus violent : l’effondrement d’une étoile entière sur elle-même.
1.2.1 Accrétion sur un objet compact
Une masse m qui tombe depuis l’infini sur un objet compact de masse M et de rayon R
acquiert l’énergie cinétique suivante (on peut dire de manière équivalente “perd l’énergie
potentielle gravitationnelle suivante”)
∆E = GMm
R
, (1.7)
que l’on peut écrire, en introduisant le paramètre de relativité de l’objet compact donné
par (1.4),
∆E = Ξ mc 2 . (1.8)
Ainsi l’accrétion libère (sous forme d’énergie cinétique, qui peut être transformée en chaleur,
puis en rayonnement) la fraction Ξ de l’énergie de masse de la matière accrétée. Par
exemple, l’accrétion sur une étoile à neutrons dégage Ξ ∼ 20% de l’énergie de masse. Pour
un trou noir en rotation rapide, cette fraction peut même atteindre 42%. Il est intéressant
de comparer ce “rendement” à celui d’une réaction nucléaire. La réaction thermonucléaire