Etoiles
de l'extrême : aux confins de l'univers
- La vie d'une étoile -
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Des minuscules sphères de gaz pas plus grandes qu’une ville aux monstrueuses supergéantes qui engloberaient tout le système solaire, les étoiles font preuve d’une étonnante variété de tailles, de températures et de luminosité.
Lors d’une belle nuit claire, elles brillent au-dessus de nos têtes tels des diamants. A première vue, elles paraissent toutes identiques, simples points lumineux avec de subtiles variations de couleur et d’éclat. Durant les 200 dernières années, les astronomes ont lentement révélé leur vraie nature. Bien plus qu’une joie esthétique, les étoiles sont peut-être le refuge d’autres systèmes planétaires et pourquoi pas même de la vie... Elles sont aussi détentrices d’un certain nombre de records, par leur taille, leur luminosité ou leur température. Prenons notre étoile, le Soleil, comme référence : 109 planètes Terre pourraient être alignées sur son diamètre et son volume pourrait contenir 1 million de mondes terrestres. La masse du Soleil est 300 000 fois plus grande que celle de la Terre et 1 millier de fois plus grande que celle de la reine des planètes, Jupiter. De sa surface portée à 6000 K se dégage 4.1026 watts, soit 10 trillions de trillions d’ampoules de 100 watts. La production d’énergie du Soleil par seconde est équivalente à celle des Etats-Unis sur une période de 1 million d’années. De plus, ce taux de production d’énergie est maintenu depuis 4,6 milliards d’années, l’âge du système solaire. Cette remarquable diffusion d’énergie est produite par la fusion de l’hydrogène en hélium qui se déroule au cœur du Soleil à une température de 15 MK. Les astrophysiciens ont calculé que le Soleil possédait à sa naissance une réserve d’hydrogène pour 10 milliards d’années. Etant donné qu’il n’en est qu’à peine à la moitié de sa vie, nous avons encore la possibilité de vivre quelques milliards d’années dans son voisinage...
Bien qu’on
le considère souvent comme une étoile ‘moyenne’, le Soleil est
plus gros et plus brillant que la plupart des autres étoiles. Malgré tout,
de nombreuses étoiles sont beaucoup plus imposantes que lui. D’un
point de vue pratique, les étoiles sont caractérisées par leur diamètre
et la température de leur surface. Si ces deux caractéristiques sont assemblées,
on en obtient une autre importante, la luminosité.
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L’échelle des diamètres stellaires est tout à fait stupéfiante. Les étoiles dites géantes telles qu'Arcturus dans la constellation du Bouvier ou Aldébaran dans la constellation du Taureau ont respectivement un diamètre 20 et 40 fois plus grand que celui du Soleil. Pourtant, ces deux géantes sont moins visibles que certaines autres étoiles telles que Miro dans la constellation de la Baleine, reconnaissable à sa couleur rouge. Miro est une étoile dite variable à longue période. Tous les 11 mois, Miro atteint un maximum de luminosité. Ces variations de luminosité se font en parallèle avec des variations de diamètre. A son plus faible diamètre, Miro engloberait déjà l’orbite de la Terre. A son plus fort diamètre, elle engloberait celle de Mars ! Mars se situant à 200 millions de Km du Soleil (150 diamètres solaires = diamètre maximum de Miro !)... Mais nous ne sommes pas encore aux limites du possible. Deux joyaux rouges, Bételgeuse dans la constellation d’Orion et Antarès appartiennent à une autre catégorie, celle des supergéantes. Bételgeuse engloberait même l’orbite de Jupiter pourtant située à 1 milliard de Km du Soleil. Quant à nous, nous serions au cœur de la fournaise ! Pourtant, il y a encore plus énorme... Dans la constellation de Céphée brille une étoile faible extrêmement rouge appelée Mu Céphée. Incroyablement énorme, elle contiendrait l’orbite de Saturne, son diamètre étant environ 100 fois celui du Soleil. Un milliard de Soleils pourraient y être enfermés.
Si
l’on considère maintenant l’autre bout de l’échelle, on
trouve les étoiles naines. L’étoile la plus proche de nous après
le Soleil s’appelle Proxima du Centaure. Elle se trouve ‘seulement’
à 4,2 années-lumière de nous. Il s’agit d’une naine rouge et
son diamètre est le dixième de celui du Soleil. Sous la constellation
d’Orion se trouve l’étoile la plus brillante de notre ciel,
du moins en magnitude apparente, Sirius. Or Sirius a un compagnon, appelé
Sirius B, qui a la taille de la Terre. Cette étoile fut le premier prototype
de ce qu’on appelle les naines blanches, résidus funestes d’anciennes
étoiles aux dimensions du Soleil. Les naines blanches sont très denses
(leur densité moyenne est de 800 Kg.cm-3) et pourtant, il y
a encore plus petit et plus dense : la nature se permet souvent quelques
excès... Dans la constellation du Taureau se trouve un nuage rouge appelé
nébuleuse du Crabe. En son sein réside un astre extraordinaire qui produit
30 explosions de lumière à la seconde avec une régularité fantastique.
Ce timing impressionnant suggère une vitesse de rotation très élevée pour
un astre aussi minuscule. Cette étoile à neutrons balaie la Terre de sa
lumière tel un phare. A l’intérieur d’une étoile à neutrons,
qui ne mesure qu’une trentaine de Km, la matière atteint des densités
presque critiques au niveau de la stabilité gravitationnelle (sa densité
moyenne est de cent millions de tonnes par cm3, le champ magnétique
à sa surface est de cent millions de Teslas !). Mu Céphée pourrait
contenir dans son volume énorme 1023 étoiles à neutrons.
Nous
allons maintenant considérer les limites en température et en luminosité
des étoiles. L’échelle des températures est moins impressionnante
que celle des dimensions tout en restant intéressante. La couleur des
étoiles est liée à leur température de surface. De la couleur du Soleil
(jaune blanc), on déduit que sa température de surface est d’environ
6 000 K. Aldébaran et Arcturus, des géantes rouges ont des surfaces relativement
plus froides (4000 K). Bételgeuse et Antarès, deux supergéantes rouges,
descendent à 3 500 K. Les géantes de la classe Miro descendent même jusqu'à
2 000 K et parfois moins... Par contre, Véga, célèbre étoile de la constellation
de la Lyre, toise les 10 000 K ; Rigel, supergéante bleue d’Orion,
approche les 20 000 K. Les étoiles les plus chaudes que l’on connaisse
sont celles qui se trouvent au centre des nébuleuses dites planétaires,
stade ultime de la vie d’étoiles moyenne telles que le Soleil. Ces
étoiles naines peuvent atteindre 250 000 K ! Ce sont les fameuses
naines blanches dont nous avons déjà parlé. L’échelle des luminosités
est encore plus stupéfiante. La super géante rouge Mu Céphée est 1 million
de fois plus lumineuse que le Soleil. Certaines naines rouges, en revanche
sont 1 million de fois plus faibles que le Soleil. L’origine de ces
variations de taille, température et luminosité est une combinaison de
la masse et de l’âge des étoiles.
La vie d'une étoile
Evolution
d'une étoile :
Ces trois photographies illustrent l'évolution d'une étoile. La photographie
de gauche représente la Grande Nébuleuse d'Orion, berceau d'étoiles naissantes.
Ces étoiles sont en fait de grandes masses de gaz qui se contractent.
La photographie du milieu montre une étoile de taille moyenne à la moitié
de sa vie. Les étoiles de faible masse, comme le Soleil, finissent leur
vie en se transformant en naines blanches, petites étoiles très denses
et très chaudes. Les étoiles plus massives deviennent instables et s'effondrent
lors d'une explosion appelée supernova. Sur la photographie de droite,
on peut observer une de ces supernovae, située dans le Grand Nuage de
Magellan. Ce type d'explosion libère plus d'énergie en quelques secondes
que le Soleil en plusieurs millions d'années.
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