Tourbillons d’étoiles

L’évolution des étoiles massives et lumineuses (dont la masse équivaut jusqu’à 100 fois à celle du Soleil) est dominée par une éjection constante et considérable de matière située à la surface de l’étoile, causant ce qu’on appelle des vents stellaires. La puissance de ces vents nous renseigne sur la composition de l’étoile: les vents se multiplient en présence d’éléments lourds, tels que l’azote, le carbone ou l’oxygène, accélérant l’évaporation de la surface de l’étoile et révélant ses couches intérieures.

Cette relation entre vents et composition présente toutefois un paradoxe important dans deux galaxies proches de nous, le Petit et le Grand Nuage de Magellan. En effet, bien qu’elles possèdent un contenu en éléments lourds plus faible que celui de la Voie lactée, elles comptent proportionnellement trop d’étoiles massives de type Wolf-Rayet, des étoiles dénudées de leurs couches extérieures. Cette observation constituait un casse-tête pour les astronomes.

Ce casse-tête vient d’être résolu par Cédric Foellmi, un étudiant au doctorat, et son directeur de thèse, Anthony Moffat, professeur au Département de physique, en collaboration avec Martin Guerrero, de l’Université d’Illinois à Urbana-Champaign. Les résultats de leurs travaux seront publiés sous peu dans les Monthly Notices de la Royal Astronomical Society de Londres. Travaillant comme un détective, Cédric Foellmi a passé plus de 80 nuits dans les observatoires de l’Argentine, de l’Afrique du Sud et du Chili à scruter ces étoiles sous toutes leurs coutures afin de déceler les indices qui lui permettraient d’expliquer ce phénomène.

Quand ils ont rassemblé toutes leurs données, les deux chercheurs ont découvert que la rotation des étoiles peut avoir un impact majeur sur leur structure interne, contrairement à ce qu’on avait longtemps cru. Jouant un rôle de malaxeur, la rotation engendre une circulation de la matière de l’étoile à très grande échelle qui à son tour brasse les différentes couches sur des profondeurs pouvant atteindre plusieurs milliers de kilomètres dans le cas d’étoiles très massives en rotation rapide. Ce mélange ramène à la surface des éléments lourds habituellement concentrés au cœur de l’étoile. Comme les étoiles des nuages de Magellan tournent généralement plus vite que les étoiles de notre galaxie, elles procèdent à un amalgame plus efficace et donnent donc l’impression de s’être départies plus rapidement de leurs couches extérieures.

La résolution de ce paradoxe a donc permis de lever le voile sur un phénomène jouant un rôle critique dans la dynamique à grande échelle au cœur même des étoiles massives. Elle pourra également permettre de mieux cerner les galaxies les plus lointaines de l’Univers où l’on observe des étoiles Wolf-Rayet du même type que celles présentes dans les nuages de Magellan.

Une «percée» dans le monde de l’interaction laser-matière

Les amateurs de science-fiction le savent bien: un laser puissant peut perforer même l’armure la plus résistante! Contrairement à plusieurs effets spéciaux, ce phénomène est bel et bien inspiré d’une réalité physique. La lumière d’un faisceau laser suffisamment intense peut éjecter de la matière d’une surface et donc y creuser un trou; ce processus se nomme ablation. Depuis longtemps, on savait que l’ablation pouvait être causée par simple évaporation des atomes, à la suite du chauffage qu’induit l’absorption de longues impulsions laser. Cette approche a cependant le désavantage d’endommager considérablement la surface autour du trou.

Comment peut-on limiter les dégâts? La solution, trouvée il y a quelques années, consiste à utiliser des impulsions laser ultrabrèves. Ainsi, on chauffe l’échantillon dans un temps si court que les atomes ne peuvent plus réagir. Mais quels sont les mécanismes responsables de l’ablation dans de tels cas? C’est la question que se sont posée Danny Perez, étudiant à la maîtrise, et le professeur Laurent J. Lewis, du Département de physique. Ils ont mis au point un modèle numérique qui simule l’absorption d’une impulsion ultrabrève (d’une durée de 100 femtosecondes, un dixième de millionième de millionième de seconde!) par une cible solide.

Les simulations montrent que l’ablation dans ce cas est causée par une combinaison d’effets thermiques (explosion de phase et vaporisation) et d’effets mécaniques (spallation et fragmentation). L’analyse révèle aussi un résultat inattendu: plusieurs mécanismes peuvent être actifs simultanément dans différentes régions de la cible. Les résultats de ces travaux, qui pourraient avoir des répercussions dans des domaines aussi variés que le micro-usinage et la dentisterie, seront publiés prochainement dans la très prestigieuse revue Physical Review Letters.