Dans cette illustration, un astéroïde (en bas à gauche) se brise sous la puissante gravité de LSPM J0207 + 3331, la naine blanche la plus ancienne et la plus froide connue pour être entourée d'un anneau de débris poussiéreux. Les scientifiques pensent que le signal infrarouge du système s’explique mieux par deux anneaux distincts composés de poussière fournie par des astéroïdes en ruine. © Nasa’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger

Sciences

Les exoplanètes peuvent survivre un milliard d’années après la mort de leur étoile

ActualitéClassé sous :Astronomie , exoplanète , mort des étoiles

Une fois que son étoile a brûlé tout son carburant, une exoplanète -- ou du moins son noyau -- peut survivre encore jusqu'à un milliard d'années. Et émettre des ondes radio détectables depuis la Terre. C'est ce que conclut une étude réalisée par des chercheurs britanniques.

Lorsqu'une étoile a brûlé tout son carburant, elle éjecte ses couches extérieures et détruit ainsi tous les objets se trouvant dans les environs. Endommageant même les couches externes -- atmosphère et manteau -- des planètes qui orbitent autour d'elle. Mais selon des chercheurs de l'université de Warwick (Royaume-Uni), les noyaux planétaires restants pourraient survivre suffisamment longtemps pour être détectés depuis la Terre.

Comment ? Grâce à des ondes radio. Car le champ magnétique qui existe entre une naine blanche et un noyau planétaire en orbite autour d'elle peut former un circuit inducteur unipolaire. Le noyau jouant le rôle de conducteur en raison de sa teneur en éléments métalliques. Il y a ainsi émission de radiations détectables par des radiotélescopes.

Grâce au radiotélescope de l’observatoire d’Arecibo (Puerto Rico) notamment, les chercheurs espèrent trouver des noyaux d’exoplanètes autour de naines blanches. © Alessandro Cai, Wikipedia, Domaine public

Détecter des signatures radio

Encore faut-il que les noyaux planétaires en question puissent subsister suffisamment longtemps. Et les modélisations des chercheurs britanniques suggèrent qu'ils peuvent effectivement survivre entre cent millions et un milliard d'années après la mort de leur étoile.

Reste désormais à confirmer tout cela par l'observation. Et compte tenu de l'existence de débris planétaires autour d'un grand nombre de naines blanches, les chercheurs sont optimistes. Ils comptent ainsi chercher autour de naines blanches dont le champ magnétique reste modeste et du côté de planètes situées entre trois rayons solaires et la distance Mercure-Soleil de leur étoile. En effet, un champ magnétique trop intense aurait sans doute détruit les noyaux planétaires et un noyau planétaire trop proche de son étoile aurait été détruit par les forces de marée. Trop éloigné, il ne serait pas détectable depuis la Terre.

  • Des noyaux planétaires peuvent survivre jusqu’à un milliard d’années après que leurs étoiles aient brûlé tout leur combustible.
  • De tels noyaux en orbite autour de naines blanches devraient être détectables par les ondes radio qu’ils émettent.
Pour en savoir plus

Des planètes rocheuses comme la Terre survivraient à la mort de leur étoile

Article de Laurent Sacco, paru le 18/05/2019

La question de la survie des planètes autour des étoiles de faible masse qui vont devenir des géantes rouges se pose aussi lorsqu'elles deviennent des naines blanches. Une nouvelle étude montre que les petites planètes rocheuses sont plus susceptibles de survivre aux effets de marée autour de ces astres compacts que les exoplanètes de grande masse et constituées de glaces.

La théorie de l'évolution stellaire développée au cours du XXe siècle nous a appris que les étoiles dont la masse est inférieure à huit fois celle du Soleil sont destinées à finir leur vie sous forme de naines blanches. Elles n'exploseront pas en donnant des supernovae SN II, mais elles pourraient donner des SN Ia si elles font partie d'un système binaire. Notre Soleil suivra donc ce chemin, il n'explosera pas et n'a aucune chance de devenir un trou noir. En fait, on a toutes les raisons de penser que c'est le destin qui attend 97 % des étoiles de la Voie lactée qui finiront leur vie sous forme de cadavres stellaires où les réactions nucléaires se sont arrêtées et dont le diamètre est proche de celui de la Terre, ce qui en fera des astres particulièrement denses.

Au cours des années 1940, l'astrophysicien français Evry Schatzman a montré que la théorie de la structure et de l'évolution stellaire nous dit que les naines blanches contiennent beaucoup de carbone et d'oxygène mais que leurs atmosphères sont largement dominées par l'hydrogène et l'hélium. En effet, les naines blanches sont des objets très compacts et leur gravité de surface est très élevée. Elles ne sont plus le siège de mouvement de convection mais d'un phénomène de « triage gravitationnel », de sorte que les éléments légers se retrouvent à la surface de l'étoile alors que les éléments lourds plongent vers l'intérieur.

Or, les observations n'ont pas vraiment vérifié ces prédictions. Ces dernières années, on a découvert des cas particulièrement anormaux. Les atmosphères contenaient parfois beaucoup trop d'éléments lourds bien particuliers, à savoir le fer et le silicium. La meilleure explication pour ces anomalies fait intervenir des astéroïdes, et même des planètes rocheuses, qui seraient entrés en collision avec les naines blanches. Comment vraiment rendre compte de ce phénomène si cette hypothèse est bien la bonne ?

Vue d'artiste du disque de débris entourant la naine blanche SDSS J1228+1040 (à gauche) et du système d'anneaux de Saturne (à droite). L'une et l'autre représentations sont à la même échelle. La naine blanche SDSS J1228+1040 arbore un diamètre sept fois inférieur à celui de Saturne mais est dotée d'une masse 2.500 fois plus élevée. © Mark Garlick University of Warwick/ESO/Nasa/Cassini

Des migrations planétaires produites par des forces de marée

On sait déjà qu'avant de se transformer en naines blanches, les étoiles de masses comparables à celle du Soleil vont passer par le stade de géante rouge. Elle vont gonfler et expulser une partie de leur masse via parfois des vents stellaires violents, ce qui fait qu'en général il ne restera plus que des naines blanches après ce stade, pesant de 0,5 à 0,7 fois la masse du Soleil.

En gonflant, ces géantes rouges pourront donc démanteler certaines planètes rocheuses en les englobant dans leurs couches externes, même si l'on a des raisons de penser que certaines survivent jusqu'à un certain point. Elles ont été baptisées planètes chthoniennes et on connaît d'ailleurs deux de ces exoplanètes qui ont survécu à la phase géante rouge de l'étoile KIC 05807616 située dans le voisinage des constellations du Cygne et de la Lyre, à environ 3.900 années-lumière de la Terre. Plus petites que la Terre, elles bouclent leur orbite en moins de 12 heures.

Du simple fait que les étoiles gonflent mais aussi qu'elles perdent de la masse, des modifications du champ de gravitation qu'elles produisent vont s'ensuivre. Si bien que les orbites d'éventuelles exoplanètes, ou simplement d'astéroïdes, vont s'en trouver modifiées, les conduisant soit à s'approcher soit à s'éloigner de ces étoiles. Dans le premier cas, certaines exoplanètes rocheuses, chthoniennes ou non, pourraient s'écraser sur les naines blanches, ce qui rendrait compte de la pollution de leurs atmosphères par des éléments lourds.

C'est là qu'intervient un autre phénomène qui n'avait pas encore été bien étudié dans le cas des naines blanches qui, du fait de leurs densités élevées, génèrent des forces de marée qui le sont tout autant. Une équipe internationale d'astronomes s'est penchée sur l'effet de ces forces lorsque l'on considère deux corps qui ne sont plus ponctuels et exerçant l'un sur l'autre des forces de gravitation (la théorie de cet effet a commencé à être développée par Georges Darwin au XIXe siècle). Dans le cas des naines blanches, comme ces chercheurs l'expliquent dans un article en accès libre sur arXiv, les forces de marée peuvent conduire les planètes pas trop loin de ces astres compacts à plonger en leur direction, passant alors sous la fameuse limite de Roche. Calculée au XIXe siècle par le célèbre astronome éponyme, on sait qu'en dessous de cette limite la force de gravité d'un corps étendu ne peut plus empêcher son démantèlement par les forces de marée d'un corps de bien plus grande masse.

Les chercheurs ont montré que, paradoxalement, plus une planète est massive, plus les forces de marée vont pouvoir la conduire à migrer en dessous de la limite de Roche. Par contre, plus un corps est visqueux - une planète rocheuse l'étant plus qu'un corps constitué de glace ou de gaz -, plus sa survie est assurée.

Des exoterres ne seraient ainsi détruites que si elles se retrouvaient à un moment à deux fois la distance définie par la limite de Roche pour la naine blanche considérée.


La Terre survivra-t-elle à la mort du Soleil ?

Article de Laurent Sacco publié le 13/12/2016

Comment finira la Terre lorsque le Soleil deviendra une géante rouge ? Personne ne le sait vraiment. Cependant, ce qui semble être une exoplanète en orbite autour de l'étoile L2 Puppis pourrait nous donner des éléments de réponse.

Rien ne semble éternel dans l'univers, si ce n'est, peut-être, certaines des lois les plus fondamentales, à savoir celles de la relativité générale et celles de la mécanique quantique. Mais pour le reste, rien n'est établi avec certitude... Les protons pourraient se désintégrer, la vitesse de la lumière, la constante de la gravitation et celle de structure fine varient peut-être dans le temps et bien d'autres paramètres de la physique pourraient ne pas être aussi immuables qu'ils le semblent. Notre destin, et donc aussi la signification de notre existence, sont liés à la nature et au destin du cosmos lui-même. C'est pourquoi nous aimerions bien savoir à quoi ressemblera l'univers observable dans 3.000 milliards d'années et, bien avant cela, le Système solaire.

Notre Soleil devrait devenir une géante rouge dans 5 à 7 milliards d'années avant de se refroidir très lentement sous forme de naine blanche (il ne deviendra jamais un trou noir). Il va se mettre à gonfler tout en perdant de la masse sous forme de vents de matière, ce qui devrait modifier les tailles des orbites des planètes et conduire Mercure et Vénus à se faire engloutir dans les couches supérieures de l'atmosphère solaire. Pour la Terre, l'incertitude demeure. Elle sera de toute façon devenue déjà inhabitable dans un milliard d'années à cause de l'ébullition de ses océans, du fait de la très lente augmentation de la luminosité du Soleil.

Une plongée dans la Voie lactée en direction de L2 Puppis puis son disque de poussières de gaz vue par Alma. © ESO (European Southern Observatory)

L2 Puppis, la sœur du Soleil en train de mourir

Pour essayer de mieux comprendre et prédire l'effet sur Terre de la transformation du Soleil en une géante rouge, les astophysiciens étudient l'étoile évoluée L2 Puppis (L2 Pup) à l'aide du radiotélescope géant Alma, comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arXiv. C'est une géante rouge située à environ 208 années-lumière du Système solaire.

Alma a permis de bien mesurer la vitesse du gaz et des poussières dans le disque entourant L2 Pup, ce qui, via la formulation exacte d'une des lois de Kepler dans la cadre de la mécanique de Newton, permet d'estimer la masse de l'étoile. Elle est évaluée, précisément, à 0,66 ± 0,04 masse solaire. Or, la théorie de la structure et de l'évolution stellaire indique qu'elle devait peser initialement presque autant que le Soleil, auquel elle ressemblait beaucoup. Elle a donc perdu environ un tiers de sa masse, ce qui permet de déduire qu'elle est âgée de 10 milliards d'années. L'observer revient donc à voir en direct à quoi devrait ressembler notre étoile et son cortège planétaire quand elle sera devenue une géante rouge.

Image composite de L2 Pup en lumière visible (par l'instrument VLT/Sphere, couleurs bleutées) et image Alma dans le continuum (teintes orangées). L'étoile centrale a été soustraite de l'image Alma pour mieux montrer le compagnon. La taille apparente de l'étoile centrale est représentée à l'échelle. Le disque blanc dans le coin inférieur gauche représente la résolution de l'image. © P. Kervella et al. (CNRS, U. de Chile, Observatoire de Paris, Lesia, ESO, Alma

Or, à environ 300 millions de kilomètres de L2 Pup se trouve un autre corps céleste dont les chercheurs viennent aussi d'en préciser la masse. Il pourrait être une exoplanète à moins qu'il ne s'agisse d'une petite naine brune. Quoi qu'il en soit, ce n'est pas une autre étoile comme on le pensait initialement. Elle est en effet assez lumineuse, bien que cent fois moins que L2 Pup, ce que les astrophysiciens expliquent maintenant par le fait qu'elle accréterait une partie de la matière éjectée par l'étoile. Sa position, en effet, coïncide avec un long et très fin panache de poussières.

S'il s'agit d'une planète, son observation sera pour nous comme une boule de cristal. En précisant sa nature, son histoire, sa masse, ses migrations éventuelles provoquées par la modification du champ de gravité de l'étoile (du fait de sa perte de masse) et ses frottements avec la matière du disque où elle se trouve, on arrivera peut-être à déterminer si oui ou non la Terre va être avalée par le Soleil mourant...

Vue schématique de la géométrie de l’orbite de la planète candidate dans le disque de L2 Pup. © P. Kervella et al. (CNRS, U. de Chile, Observatoire de Paris, Lesia, ESO, Alma)

L'apocalypse dans 7,6 milliards d'années ?

Article de Laurent Sacco publié le 28/02/2008

Robert Smith et Klaus-Peter Schroeder, deux astrophysiciens, reviennent sur leurs calculs de 2002 démontrant à l'époque que la Terre pourrait échapper à l'engloutissement par le Soleil, quand il deviendra une géante rouge. Le nouveau pronostic est pessimiste.

On affirme souvent que la mort de la Terre est programmée pour dans 5 milliards d'années environ, mais c'est un vieux chiffre qui a été recalculé depuis quelque temps à la lumière des progrès en théorie de l'évolution stellaire.

En fait, notre Soleil ne devrait devenir une géante rouge que dans 7,6 milliards d'années. En plus de grossir, il passera alors par une série d'instabilités qui lui feront perdre de la masse sous forme de vents solaires violents et sporadiques.

En 2002, deux astrophysiciens de l'Université de Sussex ont réalisé que la perte de masse du Soleil allait modifier son champ de gravitation et donc la taille des orbites des planètes du système solaire. Dans ce schéma, la Terre devrait s'éloigner du Soleil. Cela serait-il suffisant pour éviter que les couches supérieures de l'atmosphère du Soleil ne finissent par rejoindre l'orbite terrestre et n'enveloppe donc notre planète ?

À l'époque, les deux chercheurs avaient répondu par l'affirmative, moyennant quand même quelques incertitudes sur la perte réelle de masse du Soleil à cette période de son évolution, au-delà de la séquence principale.

Les tailles comparées du Soleil avant son stade géante rouge et pendant. Crédit : Eric Feigelson

Smith et Schroeder viennent de revenir sur leurs analyses : ils avaient oublié un détail crucial ! Certes, l'orbite de la Terre pourrait devenir plus large et ainsi permettre à celle-ci de survivre à l'enfer, quand bien même ses océans n'échapperaient pas à la vaporisation et probablement aussi à l'évaporation complète, laissant la planète sans eau. Mais les vents solaires de cette époque augmenteront suffisamment la densité des espaces interplanétaires pour que la Terre subisse un effet de friction non négligeable, conduisant, à l'inverse, à une diminution du rayon de son orbite.

La conjonction des deux phénomènes, diminution de la taille du Soleil, et donc de la force d'attraction de celui-ci, et augmentation forte du frottement de la Terre avec le vent solaire ne permettront donc pas au final à celle-ci d'échapper à son destin, qui devrait aboutir à l'évaporation complète ou partielle des roches.

La vie sur Terre est-elle donc condamnée dans quelques milliards d’années ?

Pas forcément ! Notre étoile ne deviendra une géante rouge que lorsqu'une partie de son carburant nucléaire présent dans son cœur (l'hydrogène) sera épuisé. Mais il en restera beaucoup à l'intérieur du Soleil.

On pourrait imaginer dans quelques millions d'années que notre civilisation sera suffisamment avancée pour construire une machine de Von Neumann et exploiter en quelques générations le minerai lunaire, ou dans la ceinture d'astéroïdes, pour construire un anneau solaire autour de la Terre. L'énergie électrique produite pourrait servir à alimenter une batterie de super canons laser dirigés en direction du Soleil. Pénétrant dans les couches profondes, les faisceaux pourraient réalimenter son cœur en hydrogène frais. La technique est certes dangereuse. Comment réagirait le Soleil ? Y aurait-il un risque d'éruptions solaires létales ?

Une autre stratégie, exposée par Hubert Reeves dans un de ses livres, serait d'utiliser l'eau des océans de la Terre pour alimenter des réacteurs à fusion contrôlée et des moteurs à plasma pour lentement déplacer la Terre de son orbite. Selon ses calculs, une baisse de seulement 100 mètres des océans de la planète au cours de quelques milliers d'années de fonctionnement de « petits moteurs » serait suffisante.

A moins que la clé des étoiles ne nous soit donnée dans beaucoup moins de temps, et sans requérir des quantités d'énergie aussi faramineuses que les précédentes, il semble peu probable que l'humanité puisse quitter le système solaire, sauf peut-être un petit groupe de pionniers à bord d'arches interstellaires. En attendant, pas de panique, on a au moins un milliard d'années pour résoudre le problème... La première condition à remplir étant de survivre au XXIe siècle.

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