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Une façon de vivre propre aux étoiles
La phase d'étoile géante (V) Dans
4 milliards d'années soit environ 8.5 milliards d'années
après sa naissance, une étoile de la masse du Soleil (0.5-2.5 M Pour y parvenir, le Soleil comme toutes les étoiles peu massives sera contraint de trouver les protons nécessaires à la réaction de fusion dans l'enveloppe périphérique d'hydrogène. Ce sera le début d'une transformation radicale. A ce stade, une étoile de masse équivalente à celle du Soleil va quitter la Séquence principale et évoluer vers la phase intermédiaire Post-Séquence principale où elle aura de nouveau tendance à suivre le trajet de Hayashi (cf. les protoétoiles) en se dirigeant vers la droite du diagramme H-R, dans la région des Sous-Géantes Rouges. Mais nous allons découvrir qu'elle dispose encore de ressources pour éviter une mort prématurée. Le flash de l'hélium Au début cette phase, la température du noyau de l'étoile géante est insuffisante pour amorcer la fusion de l'hélium mais les effondrements gravitationnels successifs et l'extension de la réaction proton-proton dans l'enveloppe entourant le noyau provoque une augmentation du taux de réactions nucléaires dans l'enveloppe ainsi que de la pression et de la température dans le coeur de l’étoile. L’énergie libérée va déclencher la réaction triple alpha qui implique trois hélions pour former un noyau de carbone-12. Ces réactions nucléaires en chaîne produisent plus d'énergie que nécessaire pour équilibrer la gravité de l'étoile. En d'autres termes l'étoile se trouve à nouveau dans un état de déséquilibre hydrostatique. Suite à cette fusion, l'étoile subit littéralement une transformation de taille très spectaculaire. L'hélium absorbe l'énergie produite en s'ionisant. Cette réaction permet à l'étoile de poursuivre sa contraction mais étant donné que le milieu devient plus dense, l'énergie interne s'évacue plus difficilement. Finalement, l'étoile retrouve un équilibre entre la force gravitationnelle et son rayonnement et sa contraction s'arrête. En revanche, l'énergie accumulée sous forme d'hélium ionisé est transmise au milieu; l'étoile se dilate jusqu'au-delà du rayon d'équilibre. Parvenue à ce rayon déterminé, l'hélium redevient neutre et le milieu stellaire transparent. L'étoile géante ne se dilate plus et entame une nouvelle contraction. Dans le cas du Soleil, dans 4.5 milliards d'années soit 10 milliards d'années après sa naissance, la densité (masse volumique) dans son coeur atteindra environ 1000 g/cm3 soit sept fois supérieure à la densité actuelle (145.7 g/cm3). Son enveloppe d'hydrogène présentera une densité 10000 fois plus faible (0.1 g/cm3). Rappelons qu'aujourd'hui à 75% de la distance au centre du Soleil, la densité est de 0.2 g/cm3 soit 166 fois supérieure à la densité de l'atmosphère sur Terre au niveau de la mer (0.0012 g/cm3 ou 1.2 kg/m3) et chute à 10-7g/cm3 sur la surface du Soleil.
Quand le Soleil approchera des 10.8 milliards d'années, la température de son noyau ainsi que sa densité vont commencer à augmenter à un taux exponentiel pour atteindre plus de 100 millions de degrés et une pression supérieure à 400000 g/cm3. A de telles valeurs, les hélions sont capables de surpasser la répulsion électrique des noyaux et fusionner pour former du carbone-12. En fait, ils bénéficient des effets de la physique quantique qui deviennent dominants et notamment de la dégénérescence électronique. Que cache ce terme barbare ? En vertu du principe d'exclusion de Pauli qui donne notamment sa cohésion à la matière, deux électrons ne peuvent occuper simultanément le même état quantique. Aux conditions de densité et de température qui règnent dans le coeur d'une étoile géante ou sur le point de l'être, tous les niveaux électroniques de faible énergie sont occupés et seuls les niveaux de haute énergie sont libres. Cela signifie que lorsqu'un gaz est trop comprimé, les électrons perdent leur capacité à échanger leur énergie. Concrètement, la pression exercée par les électrons n'obéit plus à la relation des gaz parfaits car elle est à présent indépendante de la température. Les électrons sont dans un état dit dégénéré (qu'on retrouve dans les étoiles naines, les étoiles à neutrons et les pulsars). Le noyau ne contient plus un gaz de protons et d'électrons mais un gaz dégénéré de fermions qui a la particularité de résister à la compression, c'est la pression de dégénérescence électronique et l'étoile ne s'effondre plus. Ce phénomène supprime un facteur clé dans le mécanisme de contrôle de la fusion de l'hydrogène qui existait lorsque l'étoile évoluait sur la Séquence principale. On ne peut donc plus appliquer la relation Masse-Luminosité (le sens même du diagramme H-R) à ce stade évolutif de l'étoile et les chercheurs doivent utiliser d'autres outils pour la modéliser. On y reviendra plus bas. Du fait qu'il n'y a plus de relation entre la pression et la température, celle-ci augmente exponentiellement dans le noyau en provoquant un effet spectaculaire lié au déréglement du "thermostat" nucléaire. Dans
le cas du Soleil mais il concerne toutes les étoiles entre 0.5 et
2.5 M Lorsque la température centrale dépassera 100 millions de degrés, là où l’Univers primordial n’avait pu franchir la fusion de l’hélium, l'étoile va réussir. Il est vrai qu'un étoile de type solaire dispose de milliards d’années pour réunir par hasard les hélions alors que l’on n’accorda pas plus de trois minutes à l’Univers primordial, l’expansion de l’Univers ayant éparpillé tous ses enfants endéans ce temps. La fusion de l'hélium
est à présent possible et va littéralement démarrer au
"quart de tour". En quelques secondes, la fusion de
l'hélium va se propager dans tout le coeur qui représente plus de 0.5 M La fusion de l'hélium va produire du carbone et d'oxygène qui vous également s'accumuler dans le coeur, redonnant quelques années de répit à l'étoile AGB. Cette réaction est tellement rapide qu'on l'a baptisée le "flash de l'hélium". Elle dure environ 10000 ans pour une étoile de type solaire. La réaction s'interrompt lorsque l'énergie dégagée est supérieure à l'énergie de Fermi. Le gaz nucléaire dégénéré reprend ensuite une consistance classique faite de protons et d'électrons. Son thermostat nucléaire est de nouveau bien réglé et l'étoile retrouve un nouvel état d'équilibre. Reportée dans le diagramme H-R, l'étoile n'avance plus vers la zone interdite de Hayashi et marque une pause en repartant horizontalement vers la gauche du diagramme sur la Branche Horizontale (HB). Pendant cette phase, l'énergie dégagée reste confinée dans le plasma stellaire et ne rayonne pas en surface. Cette phase "éclair" peut se répéter plusieurs fois avec autant de phases d'expansion et de contraction de sa surface, transformant l'astre en étoile variable. Vidéos à télécharger : Stellar Structure and Evolution Simulator, J.Simon et al. Programme à télécharger : StarClock Simulation de l'évolution stellaire par Leos Ondra
Le Soleil devrait connaître 5 flashes de l’hélium successifs après lesquels il tentera de se stabiliser, provoquant une nouvelle contraction du noyau pour éviter d'exploser. Après chaque stabilisation il deviendra un peu plus petit, un peu plus chaud et d'une couleur un peu plus vive. Notons
que le flash de l'hélium ne se produit pas dans les étoiles dont
la masse est supérieure à 2.5 M Après avoir épuisé tout l'hélium contenu dans son noyau, l'étoile évolue vers la phase AGB (Branche Asymptotique des Géantes). La phase AGB La phase AGB se divise en deux parties : 1. La phase AGB précoce ou early-AGB (E-AGB) 2. La phase Post AGB ou AGB thermiquement pulsante (TP-AGB). 1. La phase E-AGB Après avoir brûlé tout l'hélium contenu dans son coeur, l'étoile suit un parcours similaire à celui de la phase Post-Séquence principale : elle reprend l'ascension d'une branche des Géantes cette fois appelée la Branche des Géantes Asymptotiques Précoces (Early-AGB ou E-AGB) car son trajet dans le diagramme H-R est asymptotique (proche de la verticale et tendant vers l'infini) à la Branche des Géantes Rouges (RGB). A ce stade, le coeur de l'étoile est constitué de cendres de carbone-oxygène inertes entouré d'une fine enveloppe d'hélium. Lorsque la luminosité de l'étoile atteint un certain seuil, la fusion de l'hydrogène se déclenche également dans une enveloppe entourant celle contenant notamment les cendres d'hélium. Toutefois, cette structure en double couche est thermiquement instable et conduit l'étoile vers la seconde phase du processus, la phase TP-AGB (Thermally Pulsing AGB). A voir : Interactive Guide to Stellar Evolution Animation Flash préparée par Chandra 2. La phase TP-AGB Durant
cette phase instable, la production d'énergie s'emballe dans couche
périphérique d'hélium et se traduit par des pulses thermiques. Si l'étoile est peu massive
(0.6-8 M La pression excercée par le rayonnement va repousser l'enveloppe
extérieure de l'étoile. Ainsi, dans 5.5 milliards d'années, en l'espace de
100000 ans la taille du Soleil va doubler et sa luminosité deviendra 4 fois
plus importante. Du fait de cette expansion, ses couches externes vont se
refroidir et sa température effective au niveau de la photosphère
va retomber à 4900 K et sa surface prendra une coloration orange
pâle de classe spectrale K2. En même temps, sa luminosité va passer de
10 L
Comme on le voit à droite, dans le diagramme H-R, l'étoile géante se déplace vers le sommet de la Branche AGB, dans le coin supérieur droit, à une hauteur qui dépend de sa masse initiale. Ensuite tout va s'accélérer. 600000 ans plus tard, 11.9 milliards d'années après sa naissance, le Soleil deviendra 47 fois plus grand qu'aujourd'hui, 414 fois plus lumineux et sa température effective retombera à 3786 K, de classe spectrale M3. Finalement, 10000 ans plus tard quand il aura pratiquement atteint 12 milliards d'années (11.91), la taille du Soleil va devenir 173 fois plus importante qu'aujourd'hui et il sera 2741 plus lumineux. Sa température effective chutera jusqu'à environ 3200 K et sera de classe spectrale M9 (la dernière avant celle les étoiles massive carbonées). C'est dans la zone située entre les enveloppes de fusion de l'hélium et de fusion de l'hydrogène que sont synthétisés le carbone et les éléments plus lourds que le fer. En effet, pendant la phase TP-AGB, les pulsations thermiques sont associées à la formation de carbone-12, fluor-19 et d'éléments plus lourds que le fer-56 grâce au "processus s" qui permet de produire des noyaux lourds par capture lente de neutrons (sur une période de 10-100 ans). Les effets de ce processus s apparaissent donc dans la signature spectrale des étoiles AGB. Au-dessus de ces deux enveloppes He et H, l'atmosphère stellaire subit un brassage appelé le dragage superficiel par des mécanismes convectifs; la matière contenue près du noyau de l'étoile se mélange aux couches qui l'entourent, changeant sa composition que l'on peut observer dans les niveaux supérieurs. Ainsi, à côté des isotopes du carbone, l'étoile produit de grandes quantités de technetium-99 grâce au processus s et est un indicateur d'une nucléosynthèse récente. Notons que les étoiles AGB sont également le siège des émissions maser (des lasers naturels) des molécules SiO, H2O et OH. On trouve généralement ces émissions micro-ondes stimulées dans les nuages moléculaires et les zones riches en poussières émettant fortement en infrarouge. Ces
mécanismes se produisent
dans toutes les sous-géantes rouges et géantes rouges de moins de 7-8 M Durant
cette phase, l'étoile géante est devenue une variable à longue période
qui s'accompagne d'une importante perte de masse. Pour les étoiles peu massives à l’image
du Soleil, ayant entre 0.3 et 7 M Exceptionnellement,
si l'étoile se déplace rapidement, elle peut laisser un sillage de gaz
derrière elle, comme on le voit ci-dessous avec Mira, o Ceti, une étoile
géante rouge de 1.18 M A lire : Découverte d'une queue dans le sillage de Mira Ceti
Dans le cas du Soleil, du fait de son importante perte de masse, en vertu des lois de la mécanique céleste (cf. Kepler), les planètes géantes dériveront vers l'extérieur du système solaire, augmentant leur demi-grand axe et alongeant leur période de révolution. Cette perte de masse joue un rôle important dans la dynamique orbitale ainsi que nous le verrons lorsque nous discuterons dans un autre article de la définition de la zone habitable. Les astéroïdes pulvérisés par l'effet Yarkovsky Le rayonnement électromagnétique des étoiles parvenues à la fin de leur phase géante, juste avant de se transformer en étoile naine, serait suffisamment puissant pour accélérer la rotation des astéroïdes au point de les faire exploser ainsi que leurs débris. C'est une conséquence de l'effet Yarkovsky. Ce phénomène fut décrit dans une étude publiée par Dimitri Veras de l'Université de Warwick et son collègue Daniel J. Scheeres dans les "MNRAS" en 2020.
Comme illustré à gauche, l'effet Yarkosvky ou effet YORP (acronyme de Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddack, cf. D.Rubincam, 2000) est provoqué par les différences de températures à la surface d'un astéroïde en rotation éclairé par une source stellaire, dans ce cas-ci, le Soleil. Le rayonnement anisotrope sur la surface de l'objet provoque un couple de torsion qui entraîne une accélération de son taux de rotation jusqu'au point de rupture où l'objet éclate, le phénomène se répétant avec chaque débris jusqu'aux plus petits. Comment agit l'effet Yarkovsky ? Le rayonnement de l'étoile est absorbé par l'astéroïde, redistribué en interne puis émis à partir d'un emplacement différent, créant un déséquilibre thermique. Ce déséquilibre crée un effet de couple qui va progressivement accentuer le taux de rotation de l'astéroïde, pour finalement atteindre la vitesse de rupture qui se situe vers une rotation complète toutes les 2 heures. Finalement, ce couple de torsion va fragmenter l'astéroïde en plus petits morceaux. Le processus se répétera ensuite avec chaque fragment. Les chercheurs ont calculé que dans la plupart des cas, il y aura plus de dix fissions ou ruptures successives avant que les débris ne deviennent trop petits pour être affectés. Etant donné que la luminosité d'une étoile géante peut atteindre 10000 fois celle Soleil, l'effet Yarkosvky est très important durant cette phase, mais quasi inexistant lorsque l'étoile s'est transformée en naine blanche. Selon les simulations, pour des étoiles géantes de masse solaire, même les analogues de la ceinture d'exoastéroïdes seront détruits par l'effet Yarkovsky. Dans le cas du système solaire, non seulement la Ceinture d'astéroïdes sera détruite, mais cela se fera rapidement et violemment en l'espace d'un million d'années. Les fragments de ces astéroïdes finiront par former un disque de débris autour de la naine blanche qui finira par être attiré dans l'étoile, la "polluant" de poussière. Cette "pollution" chimique peut être détectée depuis la Terre par le rayonnement infrarouge émis par le disque de débris et par l'analyse spectrographique de l'atmosphère de l'étoile enrichie en métaux. La découverte et l'étude de tels disques permettra aux astronomes de mieux comprendre comment les naines blanches sont polluées. Reste à déterminer où se trouvent les débris au moment où l'étoile devient une naine blanche pour comprendre comment se forment ces disques de poussière.
Précisons que généralement les astéroïdes sont composés de roches présentant une faible cohésion interne. Cependant, les petits astéroïdes présentent une plus grande résistance interne, et bien que cet effet participe à décomposer rapidement les corps les plus gros, les débris se stabilisent lorsque les objets atteignent entre 1 et 100 m de diamètre. Les étoiles géantes vont donc pulvériser tous les astéroïdes jusqu'à ce qu'ils atteignent cette dimension. L'effet Yarkovsky diminue avec la distance à l'étoile et avec l'augmentation de la cohésion interne de l'astéroïde. L'effet Yarkovsky peut briser les astéroïdes à des centaines d'unités astronomiques, beaucoup plus loin que Pluton. Ainsi, l'effet Yarkovsky se manifeste jusqu'à environ 50 UA pour un astéroïde de 500 m de longueur. Cependant, en raison de leur petite taille et leur faible cohésion interne, l'effet Yarkovsky n'influence que les astéroïdes. L'enveloppe circumstellaire En expulsant une fraction sensible de sa masse dans l'espace, une étoile AGB s'entoure d'une enveloppe riche en éléments issus de la transformation de l'hydrogène et de l'hélium en éléments plus lourds (métaux). Cette enveloppe circumstellaire étendue (CSE) présente une faible densité optique. En estimant qu'une étoile AGB moyenne survit 1 milliard d'années et présente un vent stellaire soufflant à 10 km/s, son enveloppe peut s'étendre sur 3x1014 km soit 30 années-lumière ! Notons toutefois qu'à cette distance la matière se mélange au milieu ambiant et devient indiscernable du milieu interstellaire. Il s'agit donc d'une distance maximale en assumant que le vent stellaire et le gaz interstellaire se déplacent à la même vitesse. Du fait que l'étoile perd de la masse et est devenue gigantesque, elle se refroidit en surface jusqu'à 3000 ou 2000 K qui dépend de la quantité de gaz et de poussières contenues dans son enveloppe. De ce fait, l'étoile présence une enveloppe chimiquement et dynamiquement très particulière. Selon une étude publiée en 2000 par Franciska Kemper de l'Université d'Amsterdam et son équipe, au stade AGB une étoile présente les enveloppes et composantes suivantes illustrées par le schéma ci-dessous : - Le coeur de cendres de carbone et d'oxygène dégénéré (qui formera la naine blanche) - La double enveloppe nucléairement active de fusion de l'hélium entourée de celle de fusion de l'hydrogène - L'enveloppe d'hydrogène convective - L'enveloppe circumstellaire interne proche de la photosphère (entre 1-5 R*) à hautes densités et hautes température où se développe une chimie à l'équilibre thermodynamique local (ETL) - L'enveloppe stellaire pulsante avec une chimie de choc exposant les molécules formées à l'ETL à de nouvelles conditions physiques hors équilibre - L'enveloppe circumstellaire intermédiaire (entre 5-100 R*) où se forme la poussière chimiquement calme (formant des éléments stables comme le silicate (SiO), le carbone amorphe (AmC), le carbure de silicum (SiC), etc. - L'enveloppe circumstellaire externe (à plus de 100 R*) en contact avec le champ de radiation interstellaire. Sous l'influence du rayonnement UV, il s'y produit une photodissociation moléculaire avec une chimie complexe basée sur des réactions entre ions et molécules. A lire : Affaiblissement de la luminosité de Bételgeuse Notons que l'enveloppe stellaire pulsante crée des ondes sonores qui se traduisent par une compression et une expansion périodique du milieu environnant. Ces ondes sonores sont amplifiées et génèrent des ondes de choc capables de déplacer la matière, provoquant un changement de densité dans la structure stellaire. Dans ces conditions, l'atmosphère étendue de l'étoiles commence à perdre sa masse et forme des couches successives de poussière qui finissent par échapper à l'attraction gravitationnelle de l'étoile. Celle-ci s'entoure alors d'une enveloppe circumstellaire dont les caractéristiques varient considérablement d'une étoile à l'autre en termes d'opacité, de géométrie, de chimie, etc. C'est
dans la zone de poussières de l'étoile AGB que les éléments
réfractaires (par ex. fer, silicium, manganèse...) sont extraits de la
phase gazeuse et se transforment en grains de poussière. C'est la raison
pour laquelle les vents stellaires des étoiles AGB sont considérés comme
étant les principaux sites cosmiques de formation de poussières dans
l'univers. Le taux de perte de masse est tellement élevé (jusqu'à 10-4
M La perte de masse est maximale en dessous de ~1015 cm du coeur de l'étoile soit en dessous de 10 R* où l'émission des masers SiO, H2O et OH confirme que l'enveloppe interne présente une structure pratiquement sphérique sous 5 R* dans 70% des cas bien que présentant une intensité très irrégulière. Ceci signifie également que 30% des étoiles AGB de ce type ont une enveloppe de poussière non-homogène comme c'est le cas de R Sculptoris, CW Leonis (IRC+10216) et SAO 244567 présentées ci-dessous. Si
une étoile très massive (au moins 20 M Description de quelques étoiles en fin de vie Pour mieux comprendre concrètement comment se déroule la phase AGB et les processus qui la gouverne, prenons trois exemples emblématiques d'étoiles parvenues en fin de vie et ayant expulsé une fraction sensible de leur enveloppe. CW Leonis
CW Leonis alias IRC+10216 présentée ci-dessous au centre est une étoile carbonée découverte en 1969
par une équipe d'astrophysiciens dirigée par Eric
Becklin au moyen du télescope infrarouge de 1.6 m du Caltech
installé au Mont Wilson. Cette étoile située à 490 années-lumière
présente une température effective de seulement 2330 K et une masse
d'environ 0.8 M Sur
base d'analyses spectrographiques et du calcul des rapports isotopiques du
magnésium, on estime qu'originellement cette étoile devait avoir une
masse comprise entre 3-5 M A
voir : Coupe
3D par ALMA dans la structure de R Sculptoris
CW
Leonis expulsa une enveloppe riche en carbone il y a plus de 69000 ans,
expulsant entre 1-4x10-5
M L'enveloppe fut analysée en infrarouge jusqu'aux bandes submillimétriques (entre 52-631 microns soit entre 5765-475 GHz) grâce au radiotélescope IRAM de 30 m de diamètre et au télescope spatial Herschel. Son spectre présente de fortes raies d'émission des molécules du CO et CCH typiques de l'émission d'une enveloppe CSE spatialement confinée. Cette coquille contient également de l'azote, de l'oxygène et du fer ainsi que des molécules de carbone, de silicium et de soufre (C2H2, CS, SiS, SiO), de l'acide cyanhydrique (HCN), de l'ammoniac (NH3) et de l'eau (H2O), ce qui est assez commun pour ce type d'étoile à cette température. Au total, près de 50 molécules ont été détectées dans le flux de matière éjecté par CW Leonis. SAO 244567
Le
cas de SAO 244567 présenté à droite est également très
instructif. Il s'agit d'une étoile de classe spectrale B3e (classe B avec
des raies d'émission) dont la masse est similaire à celle du Soleil située dans la
constellation de l'Autel (Ara) à 2700 années-lumière. En 2014, Nicole
Reindl de l'Université de Leicester et ses collègues ont proposé un
modèle qui a été remis à jour en 2016 dans un article publié dans les
MNRAS. Selon Reindl, il y a environ 10300 ans SAO 244567 était arrivée
au stade AGB. Elle enfla démesurément, son rayon atteignant brièvement
152 R Comme
le montre la vidéo présentée ci-dessus, SAO 244567 s'est ensuite recontractée.
Il y a environ 1000 ans, son rayon était encore de 40 R Selon les analyses spectrographiques réalisées avec le coronographe COS du Télescope Spatial Hubble, l'étoile est en train de se refroidir et de s'étendre. Selon les modèles, elle se transformera en géante rouge d'ici 500 ans avant que son coeur mis à nu se transforme peu après en naine blanche. C'est la première fois qu'on observe ce phénomène dans une étoile de masse solaire car jusqu'à présent on n'observait ces nébuleuses planétaires qu'autour d'étoiles géantes massives, d'étoiles naines ou d'étoiles à neutrons et autres pulsars. L'évolution de SAO 244567 est d'autant plus intéressante qu'elle nous renseigne précisément sur la manière dont évoluera le Soleil dans quelque 6 milliards d'années. On y reviendra. IRAS 085544-4431 Ce système binaire présenté ci-dessous à gauche a éjecté un anneau de gaz et de poussière. Grâce à de telles images, les astronomes ont la possibilité de comparer ces systèmes avec les disques entourant les protoétoiles en formation. Il s'avère que les enveloppes de poussière entourant les vieilles étoiles AGB contiennent suffisamment de matière pour former une seconde génération de planètes. Plus que jamais, la possibilité d'une vie dans la zone habitable entourant les étoiles géantes même très âgées est une hypothèse tout à fait réaliste sur laquelle nous reviendrons.
En moyenne, la poussière circumstellaire représente à peine 1% de la masse totale d'une étoile AGB et présente la même composition chimique que le gaz de l'atmosphère au temps où il fut éjecté, notamment en ce qui concerne l'abondance relative du carbone et de l'oxygène. Grâce à leurs émissions radioélectriques, les radioastronomes peuvent identifier les différentes signatures spectrales des molécules et atomes aux longueurs d'ondes millimétriques (2-100 microns) et montrent clairement qu'il existe par exemple différents types d'étoiles AGB, celles dont le rapport C/O < 1 (classe spectrale M), C/O ~1 (S) et C/O > 1 (C ou carbonées). De plus ces signatures sont très utiles pour identifier la composition chimique des grains de poussière, leur signature permettant également de tracer la température du milieu et indirectement la morphologie individuelle des grains de poussière. A ce jour, les radioastronomes ont découvert plus de 70 molécules et 15 espèces différentes de poussières dans les enveloppes circumstellaires des étoiles AGB, y compris de la vapeur d'eau dans les étoiles carbonées dont CW Leonis (cf. L.Decin et al., 2010, APOD 2001). C'est durant la phase AGB (et celle de supernova) que les étoiles sont capables de synthétiser des gemmes et des pierres précieuses grâce à la liaison de l'oxygène avec les métaux, pour citer les oxydes de silicium, d'aluminium et de béryllium (saphir, rubis, émeraude, etc). S'il y a un peu d'eau, de l'opale (silice hydratée) peut même se former. Non seulement durant cette phase l'étoile géante brillera comme un rubis mais elle en produira également, sans oublier bien sûr quelques diamants si la température et la pression de son coeur sont suffisantes. Quand le poète dit que "les étoiles sont comme des diamants incrustés dans le velours noir du ciel", il n'est pas tellement loin de la vérité... Malgré une température effective ne dépassant plus 3500 à 3000 K, les étoiles géantes et supergéantes rouges sont tellement volumineuses qu'elles illuminent le ciel pour citer Bételgeuse, Aldébaran ou Antarès : ce sont toutes des étoiles de premières grandeurs. Parmi
les 250 milliards d'étoiles constituant la Voie lactée, à peine 1% des
étoiles de la Séquence principale présentent une masse supérieure à
30 M Evolution des étoiles massives Selon sa masse, l'étoile se transformera soit en
géante rouge (0.3 à 7 M Si
l’étoile est très massive, entre 8 et 40 M
Les étoiles géantes bleues de 20 à
40 M La nébuleuse NGC 6164-5 présentée à gauche consiste en une bulle de gaz qui fut libérée par l'étoile bleue et chaude HD 148937 de classe spectrale O âgée de seulement 3 ou 4 millions d'années mais 40 fois plus massive que le Soleil. La nébuleuse d'émission (qui n'est pas une nébuleuse planétaire) brille grâce à l'intense rayonnement UV émis par l'étoile. Née pratiquement instable et l'ayant toujours été, actuellement cette étoile poursuit son cycle CNO. On estime que dans 3 ou 4 millions d'années, elle explosera en supernova, libérant cette fois la majorité de son matériel dans l'espace en créant un rémanent de supernova (SNR) tandis que l'éventuel reste stellaire deviendra une étoile compacte (étoile à neutrons, pulsar ou magnétar) voire un trou noir stellaire. Si
l'étoile a une masse supérieure à 40 M Si
la masse de la supergéante bleue (classe spectrale O) atteint ou dépasse 30 M Nous verrons page suivante comment les étoiles géantes terminent leur existence. Particularités des étoiles géantes La limite d'Eddington La masse maximale d'une étoile n'est pas infinie mais dépend de la luminosité ou limite d'Eddington. Cette limite représente la luminosité maximale pouvant traverser un gaz en équilibre hydrostatique (formant une sphère). Elle détermine la limite où la pression de radiation (du rayonnement) est équilibrée par la force de gravité du système (dans ce cas-ci une étoile mais il peut aussi s'agir d'un trou noir). La valeur exacte de la limite d'Eddington dépend des propriétés chimiques des couches de gaz traversées. Ainsi les étoiles riches en hydrogène et en hélium de début de classe sont plus transparentes que les étoiles de fin de classe contenant du fer ou des molécules carbonées. En théorie, et on l'observe dans l'univers, les étoiles géantes bleues peuvent donc présenter des masses supérieures aux supergéantes rouges. A
voir : Découverte
d'une étoile géante jaune, HR 5171
(2014)
En
utilisant la relation Masse-Luminosité, on peut calculer que cette limite
se situe autour de 100 M Il arrive parfois que pendant une courte période à l'échelle astronomique, l'étoile hypermassive dépasse la limite d'Eddington de plusieurs ordres. On assiste alors à une éruption gamma dite GRB (Gamma-Ray Burst), au phénomène de novae, kilonova et supernova. Ces phénomènes modifient radicalement la structure physique des étoiles au point de les faire exploser. Mais il existe un certains nombre d'objets ayant dépassé cette limite sans qu'on observe d'instabilités (cf. l'étude sur les "bulles de photons" de Jonathan Arons, 1992). On y reviendra lorsque nous discuterons de la diversité des étoiles et notamment des étoiles à neutrons et des trous noirs. Comment
calculer la limite d’Eddington ? Pour une étoile de 100 M Les étoiles géantes : les limites des modèles astrophysiques Nous avons vu à propos de la dégénérescence électronique qu'on observe dans les étoiles géantes (et les naines, voir plus loin), qu'on ne peut pas leur appliquer la relation Masse-Luminosité car l'énergie qu'elles émettent ne dépend presque plus des réactions de nucléosynthèse. Nous devons donc trouver d'autres méthodes pour comprendre leur évolution. Le diagramme H-R ne "fonctionne" que pour les étoiles thermonucléairement actives et difficilement pour les étoiles géantes ou les naines. Dans ces conditions on constate que les chiffres concernant leur masse ou leur luminosité varient d'un auteur à l'autre. L'explication est simple : il n'y a pas de consensus. En effet, il n'existe aucun moyen de calculer directement la masse d'une étoile en dehors de la Séquence principale. Prenons un exemple pour bien saisir la difficulté du problème. Simulateurs de l'évolution stellaire: MHHE/McGraw-Hill - Terry Herter/U.Cornell - S.Morgan/U.N.Iowa
Une étoile comme le Soleil passe l'essentiel de sa vie sur la Séquence principale, puis, après épuisement de l'hydrogène de son noyau, les réactions thermonucléaires se poursuivent dans l'enveloppe de l'étoile qui commence à gonfler démesurément. Durant cette phase qui se produit selon sa masse entre 1 million et 10 milliards d'années après sa naissance, l'étoile décrit un coude et commence à gravir la branche des géantes du diagramme H-R. La luminosité de l'étoile augmente plus ou moins fort en fonction de sa masse initiale, et son indice de couleur se décale graduellement vers le rouge comme on peut le voir sur les diagrammes présentés ci-dessus. Pour
les étoiles de plus de 10 M
Pour
les étoiles de plus de 100 M Ainsi, une étoile
de 1 M En
revanche, pour une étoile de 40 M Durant cette phase instable où les étoiles massives peuvent subir des pulsations, il n'y a donc plus de relation entre masse et luminosité, donc pas de formule. Ceci explique pourquoi les estimations de la masse ou de la luminosité des étoiles géantes reprises dans la littérature sont peu précises. Pour tenter malgré tout de comprendre l'évolution des étoiles géantes, les astronomes sont obligés d'inventer des méthodes alternatives à la relation Masse-Luminosité pour préciser leurs caractéristiques. Elles se basent toujours sur le diagramme H-R mais une série de travaux préliminaires sont nécessaires avant d'obtenir un résultat. Ainsi, la luminosité d'une étoile géante se détermine soit par sa parallaxe trigonométrique (comparaison de sa magnitude absolue avec celle du Soleil ce qui permet d'estimer son facteur de luminosité) soit par sa parallaxe spectroscopique (mesure de sa magnitude visuelle et absolue ainsi que de son indice de couleur que l'on reporte dans un diagramme H-R). On peut avoir une estimation de la masse des étoiles géantes en reportant leur température effective et leur luminosité sur une grille de trajets évolutifs stellaires (les "evolutionary tracks" du diagramme H-R) tels ceux présentés à droite préparés par Catherine Pilachowski de l'Université d'Indiana. Dans le cas de Bételgeuse il faut les calculer pour une étoile de composition solaire, dont elle ne diffère pas fondamentalement. D'autres
auteurs, faisant d'autres hypothèses sur leurs modèles peuvent
trouver des diagrammes d'évolution un peu différents, donnant
des résultats différents. C'est ainsi qu'on obtient des valeurs
de luminosité pour Bételgeuse oscillant entre 90000 et 150000 L Pour les masses stellaires élevées, les hypothèses sont plus compliquées car il faut tenir compte des fortes pertes de masse en cours d'évolution. Les chiffres peuvent passer du simple au double. Le sujet étant complexe, les solutions très techniques et peu intuitives, il y a peu ou pas de vulgarisation sur le sujet. Le lecteur qui souhaite plus d'information devra consulter des revues spécialisées telle que l'"Astrophysical Journal" ou "Astronomy & Astrophysics" notamment les travaux de Meynet, Yi et leurs collègues. Les étoiles les plus massives : les hypergéantes A
l’heure actuelle les astronomes ont découvert quelques étoiles
dépassant 100 M 1. R136a1
R136a1 est une étoile Wolf-Rayet qui brille à la magnitude apparente 12.8 dans l'amas ouvert R136 situé dans la nébuleuse de la Tarentule, alias 30 Doradus (A.D.: 5h 38m 42.43s, Dec.: -69° 06' 02.2"), et donc dans le Grand Nuage de Magellan, à 1650000 années-lumière. Elle fut découverte en juillet 2010 grâce au télescope VLT par une équipe d'astronomes dirigée par Paul Crowther de l'Université de Sheffield. Selon Crowther, il s'agit d'une étoile hypergéante bleue âgée de 1.5 million d'années et présentant une température effective supérieure à 40000 K. En début de cycle,
elle présentait une masse maximale de 300 M Sur base de sa masse, sa luminosité et sa température, elle est 30 à 35 fois plus volumineuse que le Soleil avec un rayon moyen de 24.3 millions de kilomètres (contre 695508 km pour le Soleil) soit les 4/5e de l'orbite de Mercure et brille comme 7.4 millions de Soleil, soit 80% de la luminosité d'Eddington ! Comme les autres étoiles géantes la limite de sa photosphère qui détermine son rayon optique est mal défini en raison de la présence d'un puissant vent stellaire qui souffle l'enveloppe extérieure vers l'espace, l'enveloppant dans un nuage de gaz et de poussières. Dans certaines étoiles supergéantes ou hypergéantes dont celles décrites ci-dessous, on détecte parfois l'enveloppe de la photosphère jusqu'à 0.3 R* au-delà de la limite théorique, d'où la marge d'erreur sur leur masse, leur rayon et leur luminosité et le choix d'une valeur moyenne. Notons
que dans les quelques parsecs (10 a.l.) autour de R136a1, la masse
stellaire totale est estimée à 50000 M 2. Pistol Pistol, l'étoile du
Pisolet fut découverte dans la constellation du Sagittaire en 1997. Elle
se situe à 26000 années-lumière et brille à la magnitude apparente de
4. Il s'agit d'une hypergéante bleue dont la masse est d’environ 100 M
3. Mu Cephei (Erakis) L'étoile μ Cephei appelée Erakis présentée ci-dessus à droite est surnommée l'"étoile grenat d'Herschel" qui la découvrit le 8 février 1782 avec une "teinte grenat foncée". Toutefois, le 28 décembre 1782 elle lui parut "bleutée" et le 12 mars 1785 elle fut d'une "belle couleur bleue". On peut supposer que la variation de couleur bien qu'apparemment spectaculaire serait due à son changement de luminosité. Erakis
est une supergéante rouge située à environ 6000
années-lumière. C'est une étoile variable semi-régulière dont la
magnitude apparente varie entre 3.43 et 5.1 sur une période incertaine de
860 ou de 4400 jours. Sa magnitude absolue est de -7.6. Cette étoile de classe spectrale M2e Ia présente
une masse de 19.2 M Son atmosphère s'étend sous la forme d'une coquille de gaz et de poussières jusqu'à 0.33 rayon au-dessus de la limite théorique de sa photosphère. Si celle-ci présente une température effective de 3750 K, à 0.33 R* au-dessus de la photosphère elle atteint 2055 K. Selon une étude réalisée par Guy Perrin et ses collègues publiée en 2005, cette enveloppe externe contient des molécules de CO, SiO et même de la vapeur d'eau. 4. VY Canis Majoris L'outsider
est l'étoile hypergéante rouge VY Canis Majoris (VY CMa) de
classe spectrale M3/M4II qui présente une masse d'environ 30 à 40 M
5. UY Scuti À
ce jour l'étoile la plus volumnineuse est l'hypergéante rouge UY Scuti située à 9500
années-lumière dans la constellation de l'Écu de Sobieski (Scutum).
C'est une étoile variable semi-régulière de classe spectral M4Ia dont la magnitude
apparente oscille entre 8.9 et 11.2 sur une période de 740 jours. Sa
masse es estimée entre 20-30 M Selon les estimations, à 8% près UY Scuti est 1708 fois plus grande que le Soleil avec un rayon d'environ 1.2 milliard de kilomètres ! Reportée à l'échelle du système solaire, sa surface atteindrait presque l'orbite de Saturne (située à 1.4 milliard de km du Soleil) ! UY Scuti est 340000 fois plus lumineuse que le Soleil. Si on imagine qu'un rayon lumineux ferait le tour du Soleil en 14.5 secondes, il mettrait... 7 heures pour faire le tour de UY Scuti ! Quant à son volume, on a peine à l'imaginer. Quelque 3.69 milliards de Soleil pourraient tenir dans son enveloppe sachant qu'environ 1000 Jupiter tiendraient dans le Soleil et environ 1300 Terre tiendraient dans Jupiter ! Dans ces conditions extrêmes, les lois de la physique sont sans équivoques : toutes ces étoiles massives vont exploser un jour ou l'autre; ce sont toutes des candidates au titre de supernova ! Dernier chapitre Le crépuscule de la vie des étoiles
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