Les étoiles variables (IX)

Devant la "sphère des fixes" d'Aristote, il est très probable que les étoiles variables furent observées dès l'Antiquité grecque. Mais ni les astronomes grecs, ni leurs collègues chinois, japonais, coréens et arabes ne relevèrent ces variations d'éclats. Pourtant des yeux avertis comme ceux d'Hipparque, Ptolémée, Copernic ou Tycho avaient maintes occasions de relever ce défi. En Europe cette situation s'explique par le fait qu'il eut été absurde de considérer la sphère céleste sous l'emprise du changement. Elle était à l'image des dieux, parfaite. Les observateurs avaient bien découverts quelques "comètes", mais elles étaient considérées comme des événements inexpliqués, comme on parlerait aujourd'hui des OVNI et ne faisaient l’objet d’aucune attention.

Les étoiles variables furent observées en Europe à partir de 1667. Le professeur de mathématique Geminiano Montanari fut intrigué par le comportement de l'étoile Algol dans la constellation de Persée. Une étude plus approfondie de Sir William Herschel en 1860 permit de découvrir qu'il s'agissait d'une étoile qui subissait des variations de luminosité. Il s'agissait d'une étoile double à éclipse, l'étoile principale subissant périodiquement une variation de luminosité en raison du passage de son compagnon dans notre ligne de visée.

Simulation du système d'Algol. Le transfert de masse vers le compagnon est sensible au taux de refroidissement radiatif. Document NCSU/Blondin/Richards/Malinowski.

Les étoiles variables peuvent interagir de manière forts différentes :

- Interaction du vent stellaire : dans les étoiles chaudes et massives (XRB) le vent stellaire émis par chacune des composantes peut former un disque d'accrétion capable d'obscurcir temporairement la surface de l'étoile la plus massive.

- Variation de la luminosité : la surface de l'une des deux étoiles est réchauffée par celle du compagnon qui émet des rayons X, provoquant une photoionisation du vent stellaire (étoiles symbiotiques)

- Interaction du champ magnétique : à l'image des magnétars un champ magnétique très intense peut induire des variations du rayonnement (AM Her) suite à une modification intrinsèque de l'étoile (modification de sa surface, etc)

- Effets de marées : dans les systèmes binaires en interactions très rapprochées, les forces de marées deviennent si importantes que les vents stellaires sont gravement perturbés, induisant des pertes de synchronisation, un transfert de masses, etc

Des étoiles variables exotiques A gauche, le jeune système double T Tauri est âgé de quelques millions d'années seulement. Il est encore entouré de son disque de poussières qui provoque une variation d'éclat de l'étoile principale cataloguée parmi les étoiles variables dites "T Tauri" dont elle est la représentante la plus brillante. Le halo bleuté est constitué d'un mélange de poussières circumstellaires et des résidus ayant donnés naissance à T Tauri. L'image a été prise en IR dans les bandes J, H et K. A droite l'étoile supergéante rouge Eta Carina enfouie dans le complexe HII géant de la nébuleuse de la Carène est une étoile variable éruptive qui est en train de souffler dans l'espace une partie de son atmosphère faisant fluctuer notablement sa luminosité. Documents CFHT et AAO/David Malin. Ci-dessus à gauche le système d'Algol et son disque d'accrétion entourant un compagnon massif répond parfaitement aux lois de l'hydrodynamique. Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (Mpeg de 938 KB). A droite HD12545 doit sa variabilité à la présence d'une immense zone de son atmosphère 25% plus froide que sa température moyenne de 4300 K. Cliquer sur les images pour les agrandir. Documents NCSU/Blondin et NOAO-Wien.

Janet Mattei (†2004), ancienne directrice de l'American Association of Variable Stars Observers, AAVSO, nous explique que les étoiles variables sont regroupées en deux catégories, selon la nature de leur variance :

- Les variables extrinsèques dont la variation de luminosité est provoquée par l'éclipse d'une étoile par sa compagne plus faible (le cas d'Algol), par l'effet de la rotation stellaire ou un nuage de poussières.

- Les variables intrinsèques dont la variation de luminosité, la plupart du temps cyclique, résulte de changements physiques au sein de l'étoile ou dans le système stellaire lui-même, par exemple des pulsations ou des éruptions qui provoquent un mouvement de contraction et d'expansion des couches superficielles de l'étoile.

Cette dernière catégorie est subdivisée en quatre grandes classes :

- Les étoiles variables à longue période, type Mira Ceti, dont l'éclat varie progressivement sur plus d'une année.

- Les étoiles variables irrégulières telle Bételgeuse (a Orionis) dont la période est indéterminée.a Orionis) dont la période est indéterminée.

- Les étoiles variables éruptives qui sautent jusqu'à quatre magnitudes en quelques secondes : Wolf 424 AB, UV Ceti, Eta Carina.

- Les étoiles variables dites Céphéides, que l'on retrouve également dans les galaxies extérieures et les amas globulaires.

Ces classes ainsi que quelques autres sont détaillées dans la page consacrée à l'observation des étoiles variables par les amateurs

Les courbes de luminosité Courbes de luminosité de quelques étoiles variables célèbres tracées jusqu'en l'an 2000 : Mira (Omicron Ceti) une variable à longue période, SS Cygni de type U Gem et GK Persei, une nova périodique. Cliquer sur les diagrammes pour les agrandir. Documents AAVSO.

La relation qui relie la luminosité des Céphéides à leur fluctuation est connue avec précision. Leur éclat absolu étant inversement proportionnel au carré de leur distance, l'astronome Henrietta Leavitt démontra en 1908 qu'elles pouvaient servir d'étalon de mesure pour calculer la distance des amas d'étoiles et des galaxies proches. La magnitude absolue (M) des Céphéides obéit à la relation : 

M = a + b  log P

 où a et b sont deux constantes déterminées, l'une à partir des Céphéides de la Voie Lactée par parallaxe, l'autre en observant les Céphéides des Nuages de Magellan; P est la mesure de la période de l'étoile. 

Une fois les magnitudes absolue et apparente connues on peut aisément déterminer leur distance. Ces calibreurs sont usuellement appelés des "chandelles standards".

Nous devons bien sûr ajouter à cette liste les novae et les supernovae dont l'éclat croît brutalement. L'ensemble de ces astres se divise en une vingtaine de classes et regroupe quelque 30000 étoiles mais on suspecte des milliers d'autres étoiles d'être variables.

Depuis les observations de Sir William Herschel au XVIIIe siècle les astronomes ne s'expliquaient pas les modifications d'éclat de l'étoile variable R Monocerotis. En 1916 Edwin Hubble découvrit que cette étoile variable était en fait entourée d'une épaisse nébulosité dont l'éclat fluctuait au fil du temps en fonction du comportement de l'étoile. Baptisée la nébuleuse variable de Hubble, NGC 2261 sera photographiée pour la première fois en 1949 avec le télescope de 5m du Mt Palomar. Document NASA/STSCI/HST.

Appel aux amateurs

Si l'étude des variations lumineuses des étoiles variables est vitale pour comprendre leur nature, il va de soi que les astronomes professionnels n'ont pas les moyens ni le temps de surveiller des dizaines de milliers d'étoiles variables nuit après nuit. Leurs efforts se focalisent sur la compréhension d'aspects plus spécifiques des étoiles en utilisant des instruments très sophistiqués pour ne citer que les spectrographes, les radiotélescopes ou les satellites sensibles au rayonnement X. Toutefois il demeure nécessaire de mesurer la lumière de ces étoiles dans le spectre visible. Ces données seront ensuite comparées avec les mesures effectuées à de plus longues et de plus courtes longueurs d'ondes, les mesures optiques servant de repère.

Ainsi que le rappelle l'AAVSO, c'est ici que les astronomes amateurs peuvent apporter une contribution significative à l'astronomie. Pour comprendre et développer des théories qui expliquent les raisons et les manières dont les étoiles varient en luminosité, les astrophysiciens ont besoin de connaître l'histoire à long terme de ces astres, raison pour laquelle il est essentiel que les amateurs effectuent des observations à long terme de ces étoiles. Ce n’est pas un travail difficile mais il faut être assidu et donc être disponible, bénéficier d’un ciel clément, disposer d’un télescope et être rigoureux.