Branche fascinante de la physique, l’astrophysique a contribué à imposer la vision de décors spectaculaires, propres à impressionner l’esprit et repris à leurs comptes par les écrivains de science-fiction.
Cette discipline amène les physiciens à manipuler des grandeurs vertigineuses, échappant le plus souvent à l’expérience humaine, ce qui l’a rendue particulièrement populaire auprès du grand public, impressionné par le vertige spatial. Les phénomènes de l’astrophysique sont devenues le prétexte idéal des aventures spatiales et des méditations mélancoliques sur la place de l’homme dans l’univers. Parmi ces phénomènes, les supernovas sont, par leur ampleur, des plus excitantes...
Que sont les supernovas ? Qu’ont-elles inspirés à Arthur C. Clarke, Robert C. Wilson, Alastair Reynolds ou Stephen Baxter ?


Ces explosions d’étoiles ont longtemps dérangé les occidentaux, qui les virent d’abord comme des perturbations de la régularité du cosmos dans les civilisations grecque, puis chrétienne. En Chine, elles furent méticuleusement consignées dans des catalogues : l’univers chinois n’avait rien d’une horloge régulière, il relevait davantage d’un processus dynamique, dont les soubresauts modelaient les vies humaines et surtout l’histoire de l’Empire. L’énorme variation de luminosité de ces étoiles était alors interprétée comme un rapprochement extrêmement rapide de ces astres, laissant craindre des troubles dans l’existence des hommes. Réalisés sur des périodes de temps énormes, ces catalogues sont de nos jours particulièrement intéressants d’un point de vue statistique. La Chine a maintenu des observatoires astronomiques en activité pendant plus de 500 ans. Celui de Beijing, construit en 1442, a continué à produire des relevés astronomiques jusqu’à sa destruction par les troupes franco-allemandes en 1900. Il fut sans doute l’un des observatoires terrestres qui connut la plus grande longévité.

Les supernovas tiennent de surcroît une place particulière dans l’histoire de l’astronomie. Les supernovas de 1572 et 1603, étudiées respectivement par Tycho Brahe [1] et Johannes Kepler à l’œil nu dans la constellation de Cassiopée, font basculer la conception occidentale du monde. À l’époque, on ne pouvait imaginer situer un « nouvel astre » que dans le voisinage immédiat de la Terre. En effet, ces « astres » — à la différence des planètes, même éloignées — n’avaient pas de mouvement apparent par rapport aux étoiles. Ils ne pouvaient donc être des planètes, mais devaient se situer dans une partie du ciel présumée immuable.

L’univers aristotélicien, formé de sphères fermées et fixes au-delà de la sphère lunaire, pouvait alors disparaître et céder la place à la conception que nous en connaissons encore aujourd’hui, libérant ainsi l’imagination occidentale. Ces deux supernovas furent aussi très soigneusement étudiées par les astronomes chinois et coréens. Tellement bien d’ailleurs que leurs observations servirent dans les années 1970 à calibrer les modèles astrophysiques actuels décrivant le cycle de vie des étoiles.

Un coup de chance, comme en a déjà connu l’humanité : si la Chine n’avait pas eu une conception de l’univers si différente de l’Occident et si elle n’avait pas réussi à conserver si longtemps son indépendance, ces catalogues astronomiques auraient sans doute été perdus.

Qu’est ce qu’une supernova ?

Avant de répondre un peu plus précisément, il faut rappeler ce qu’est une étoile. Nous sommes habitués à leur présence — même si la pollution lumineuse des villes tend à nous les cacher — mais nous ne connaissons leur vraie nature que depuis une petite centaine d’années. Une étoile est une masse de gaz dont le cœur (du fait des fortes pressions qui y règnent) est le centre de réaction nucléaire de fusions, responsables de son échauffement global et de sa lumière. Le gaz y atteint une telle température que les molécules s’y dissocient en électrons et en noyaux atomiques libres. La vitesse de déplacement des noyaux atomiques et leur densité autorisent la fusion des éléments les plus légers — l’hydrogène et l’hélium — pour former des noyaux plus lourds, comme l’oxygène. Ces réactions produisent alors un surplus d’énergie et un flux de lumière entraînant une élévation de la température de l’étoile. Il y a alors équilibre entre la contraction de l’étoile sous le simple effet de la force de gravité — qui attire la matière vers son centre — et la pression du gaz chauffé qui tend à repousser la matière vers l’extérieur. Cependant, si la force de gravité est permanente, les forces de pression doivent être constamment alimentées par les réactions de fusion. Or, étonnamment, si l’étoile est suffisamment massive, elle peut continuer la fusion des éléments chimiques au-delà de l’hélium en passant par celles du carbone, de l’oxygène et du silicium.

Malheureusement, la chaîne des réactions de fusion s’achève là. En effet, au-delà du fer, il n’y a plus de création nette d’énergie : pire, il y a consommation. Les forces de pression diminuent et ne peuvent plus s’opposer à la force de gravité. En une milliseconde, la matière formant l’étoile s’effondre alors vers le cœur, converti en une masse énorme de neutrons, extraordinairement dense (la masse du soleil se trouvant concentrée en une sphère de l’ordre de 10 km de rayon). Dès lors, la matière chute à une vitesse de l’ordre d’un dixième de la vitesse de la lumière, occasionnant des frottements et des rayonnements tels que de nouvelles réactions de fusion sont alors activées, provoquant un flash dégageant autant d’énergie que celle de toute une galaxie. On obtient alors une supernova (de type II pour les puristes). Rien d’étonnant à ce que des écrivains comme Arthur C. Clarke, Stephen Baxter, ou Alastair Reynolds aient choisi de situer leurs œuvres au voisinage d’un si spectaculaire phénomène.

Les Supernovas dans la SF

Dans la nouvelle « L’Étoile » [2], Arthur C. Clarke met en scène un jésuite qui retrouve les archives d’une ancienne civilisation sur une planète orbitant autour des restes d’une supernova. À la lecture du texte, l’instinct du physicien s’affole. Malgré les précautions de Clarke, on sent que ce paysage est peu vraisemblable. Comme toujours dans ce genre de cas, il faut examiner certains ordres de grandeur. Une supernova de type 2 se produit pour des étoiles environ dix fois plus massiques que notre soleil. Grosso modo, notre soleil produit chaque seconde l’énergie équivalente à l’explosion de 90 milliards de bombes atomiques d’une mégatonne. Chaque bombe d’une mégatonne dégage ainsi l’énergie d’un million de tonnes d’explosif classique. Boum. L’énergie dégagée par le soleil se répartit sur la surface d’une sphère de 150 millions de kilomètres de rayon. Chaque seconde donc, sur une surface d’un kilomètre carré, l’énergie reçue en provenance du Soleil correspond à l’explosion d’à peu près 4 tonnes d’explosif classique, soit un attentat suicide irakien par seconde.

Considérons maintenant une supernova de type 2 : l’énergie dégagée est 10 milliards de fois plus importante. Cela nous amène donc à avoir une énergie dégagée, par kilomètre carré, 10 milliards de fois plus grande, soit 40 000 mégatonnes. C’est l’équivalent de l’énergie stockée dans les arsenaux nucléaires mondiaux. Ça fait beaucoup, mais est-ce suffisant pour endommager des archives stockées profondément sur une planète éloignée ? La loi de Stefan permet de relier la quantité d’énergie par unité de surface et de temps — un flux d’énergie donc — à la température du corps la captant. Quand on double la température de ce corps, cela signifie qu’il intercepte un flux d’énergie 16 fois plus grand. En fait, le flux d’énergie est proportionnel à la puissance quatrième de la température... Donc, si notre flux d’énergie est 10 milliards de fois plus grand, la température de la Terre est multipliée par 316. On passe alors de 0°C (s’il n’y a pas d’effet de serre) à plus de 84 000°C.

Inutile de dire que tous les matériaux connus sont vaporisés. Comme le fait Clarke, on peut éloigner nos archives du Soleil. L’énergie totale se répartit sur une surface plus grande et le flux d’énergie en un point donné diminue comme l’inverse du carré de la distance nous séparant du soleil. Si on double la distance, le flux d’énergie est alors divisé par 4. Un petit calcul nous montre alors que pour espérer tomber en dessous de 1800°C, température où quelques matériaux ne se vaporisent plus, il faut être à 45 fois la distance entre le Soleil et Pluton. C’est un peu loin, et tout cela pour bénéficier d’une température somme toute assez torride...  [3]


Notre soleil, lui, ne peut espérer une fin aussi grandiose. C’est une étoile dont la masse est trop faible pour aller au delà de la fusion de l’hélium. Il enflera alors démesurément pour devenir une géante rouge, sous l’effet de la bouffée d’énergie provoquée par la fusion de ce dernier élément. Puis les réactions de fusion s’arrêteront, faute d’hélium. La gravité le comprimera alors en une naine blanche formée essentiellement de carbone et d’oxygène, qui ne réalise plus de réaction nucléaire. Sa masse se condensera en une sphère grande comme la Terre [4].


Dans l’excellent Spin [5], Robert Charles Wilson imagine la Terre protégée par une coquille l’empêchant de subir les effets de la fin de notre Soleil. Malheureusement cette coquille semble s’ouvrir au moment où notre Soleil se transforme en géante rouge, ultime étape de son existence. Wilson situe correctement cette étape et ne provoque pas de supernova. Cependant, sa géante rouge est, semble-t-il, trop petite : en effet, son rayon ne semble pas contenir l’orbite terrestre comme on s’y attend. Pire, il n’y a manifestement pas de dégagement de matière, vidant progressivement le soleil de sa masse et modifiant l’orbite terrestre.
Par ailleurs, dans le très beau chapitre où l’un des narrateurs chemine sur une autoroute en devançant un lever de soleil que l’on pressent apocalyptique, Wilson commet une erreur physique, qu’une part de l’analyse précédente peut décrire. En effet, avant d’achever sa vie en tant que naine blanche, une étoile comme le Soleil est au cœur d’un flash de réactions thermonucléaires et voit son éclat multiplié par un facteur entre 10 000 et 100 000. Or, la simple réflexion de la lumière sur la Lune et sur Vénus se traduirait par une élévation de la température de l’ordre de 100°C dans la partie nocturne. Wilson — prudemment — semble placer son récit après un tel flash, quand le soleil s’est enfin stabilisé au stade de géante rouge. Il n’évoque ni l’éclat de la Lune, ni celui de Vénus. Par malheur, la simple diffusion de la lumière par l’atmosphère et la poussière interplanétaire suffit à garantir une élévation du même ordre de grandeur de la température terrestre — du fait de la multiplication par 10 000 de la luminosité solaire...

Clarke, lui, dans « Expédition de secours » (in. Demain, moisson d’étoiles [6]), un texte beaucoup plus ancien, n’a pas une telle prudence. Une mission extraterrestre se positionne dans le cône d’ombre de la Terre, et surveille l’éclat de la Lune afin de pouvoir fuir lors de l’explosion du Soleil. Malheureusement, en admettant que notre étoile se comporte comme une supernova de type 2 (ce qui est faux, mais s’inscrit dans l’esprit de la nouvelle), même protégés par le cône d’ombre de la Terre, nos extraterrestres subiraient alors une élévation de température de l’ordre de 2000°C.

Dans L’Œuf du Dragon [7], Robert Forward met en scène une forme de vie évoluant à la surface d’une étoile à neutrons. Son collègue Stephen Baxter s’intéresse lui aussi à l’explosion des étoiles (dans la nouvelle « The Tyranny of heaven » [8]. Mais si tous deux décrivent fort bien les phénomènes physiques concernés, ils n’en font pas le thème central de leur récit.

Difficile, donc, de tenir correctement compte des effets d’une supernova dans la SF. Les ordres de grandeur nous sont par trop étrangers. Mais que cela n’empêche pas l’utilisation d’un tel décor. La rigueur scientifique supporte parfois quelques écarts…


> POUR EN SAVOIR PLUS : Fundamentals in Nuclear Physics, Jean-Louis Basdevant, James Rich et Michel Spiro, Springer Verlag.


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NOTES

[1] Tycho Brahe (1546-1601) est un astronome danois. Il observe la supernova de 1572 et effectue également des observations continues et particulièrement précises du Soleil, de la Lune, des planètes et des étoiles pendant de nombreuses années, rectifiant certaines erreurs des tables d’éphémérides de l’époque. Il adopte un système mixte géo-héliocentrique selon lequel toutes les planètes tournent autour du Soleil sauf la Terre, car pour Tycho Brahe le Soleil tourne autour de la Terre. Ses observations de la planète Mars sont reprises par Johannes Kepler qui en tire ses fameuses lois du mouvement des planètes autour du Soleil.

[2] L’Étoile de Arthur C. Clarke, Ed. J’ai Lu, 1979 [The other side of the sky, 1958].

[3] Pour avoir un peu plus de détail sur le sujet, on peut consulter le fort amusant article de Stephen Dutch, « Life (briefly) Near a Supernova. », in. Journal of Geoscience Education, January 1, 2005.

[4] On consultera avec intérêt la référence Our Sun, present and futur, de Juliana Sackmann, Arnold Boothroyd et Kathleen Kraemer in. The Astrophysical Journal 418, 20 novembre 1993, pour en savoir plus sur le sujet.

[5] Spin de Robert Charles Wilson, Ed. Denoël « Lunes d’encre », 2007 [Spin, 2005].

[6] Demain, moisson d’étoiles de Arthur C. Clarke, Ed. Denoël, 1960 [Reach for tomorrow, 1956].

[7] L’Œuf du Dragon de Robert Forward, Ed. Le Livre de Poche 1990.

[8] Vacuum Diagrams de Stephen Baxter, HarperCollins, 1997