La naine blanche Sirius B a une masse qui correspond à 98 % de celle de notre propre Soleil. Malgré cette masse importante, Sirius B n'a que 12.000 kilomètres de diamètre, ce qui le rend même plus petit que la Terre et beaucoup plus dense. Le puissant champ gravitationnel de Sirius B est 350.000 fois supérieur à celui de la Terre, ce qui signifie qu'une personne de 68 kilogrammes pèserait 25 millions de kilogrammes debout à sa surface. © ESA, Nasa
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Les naines blanches peuvent vivre encore après leurs morts !

ActualitéClassé sous :astrophysique , Amas globulaire , naine blanche

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Des observations menées avec le télescope spatial Hubble concernant deux amas globulaires en orbite autour de la Voie lactée suggèrent que les naines blanches pourraient continuer à brûler de l'hydrogène dans les dernières étapes de leur vie, les faisant paraître plus jeunes qu'elles ne le sont en réalité.Cette découverte pourrait avoir des conséquences sur la façon dont les astronomes mesurent l'âge des amas d'étoiles et donc établissent des chronologies avec les galaxies.

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[EN VIDÉO] Comment évoluent les étoiles ?  Les étoiles naissent, vivent et meurent. Leur histoire est déterminée par leur masse initiale, laquelle décide des réactions thermonucléaires qui s'y produiront et des types de noyaux qu'elles synthétiseront avant de finir leur vie sous forme de naines blanches, d'étoiles à neutrons ou de trous noirs. 

Comme Futura l'a expliqué dans de précédents articles dont nous reprenons une partie du contenu, les astronomes ont fait la découverte des naines blanches au XVIIIe siècle, malgré leur faible luminosité, et ils ignoraient alors à quel point ces astres étaient exotiques. Ils ont commencé à s'en rendre compte au tout début du XXe siècle avec la détermination de l'extraordinaire densité des naines blanches. À la stupéfaction des astrophysiciens de l'époque, une valeur de l'ordre de la tonne par centimètre cube fut en effet dérivée de l'observation d'étoiles comme Sirius B.

Rapidement cependant, le physicien britannique Ralph Fowler comprit que la toute nouvelle mécanique statistique quantique découverte par son collègue Paul Dirac à la fin des années 1920 (qui a prédit théoriquement l'existence de l'antimatière à la même époque), décrivant un gaz d'électrons dégénéré dans le jargon des physiciens, pouvait expliquer l'existence de ces étoiles. Ce gaz pouvait exercer une pression suffisamment importante pour résister à celle causée par la gravitation d'une étoile aussi dense que les naines blanches.

Reprenant les travaux de Fowler, le tout jeune astrophysicien Subrahmanyan Chandrasekhar (âgé alors de 20 ans) eut l'idée d'introduire les effets de la théorie de la relativité restreinte et il posa les fondations de la structure stellaire de ces étranges objets. Il arriva ainsi à une conclusion devenue célèbre, il ne peut pas exister d'étoiles de masses supérieures à environ 1,4 masse solaire devenue une naine blanche. C'est la fameuse limite de Chandrasekhar.

Extrait du documentaire Du Big Bang au Vivant (ECP Productions, 2010), Jean-Pierre Luminet parle de l'évolution des étoiles de type solaire, leur transformation en géantes rouges puis en naines blanches. © Jean-Pierre Luminet

Les naines blanches, la masse du Soleil dans le volume de la Terre

Les progrès observationnels permirent simultanément de découvrir plusieurs types de naines blanches, différant par la composition chimique de leurs atmosphères. On détermina finalement que les naines blanches sont l'étape finale de l'évolution des étoiles, contenant au maximum environ 8 masses solaires quand elles ont épuisé leur carburant. Les réactions thermonucléaires n'existant plus et ne libérant plus un flot de photons dont la pression s'équilibre avec celle de la gravité, c'est la pression de la matière dégénérée qui s'oppose à l'effondrement de ces étoiles en trous noirs.

Elles peuvent alors rassembler la masse du Soleil dans un volume de la taille de la Terre. Il s'agit donc d'astres très denses et qui se refroidissent très lentement.

Elles ont été étudiées par nombre de grands théoriciens de l'astrophysique vers le milieu du siècle dernier, par exemple Evry Schatzman, qui avec les progrès de l'astrophysique nucléaire d'après-guerre, ont  démontré que l'essentiel d'une naine blanche devait être constitué de noyaux de carbone et d'oxygène baignant dans un gaz dégénéré d'électrons relativistes. Mais, c'est au cours des années 1960 que divers astrophysiciens théoriciens, dont Edwin Salpeter en 1961, ont réalisé que le cœur d'une naine blanche devait assez rapidement se transformer en un immense réseau cristallin de noyaux de carbone et d'oxygène.

Une part importante du volume d'une naine blanche devait ainsi ressembler à une sorte de diamant géant, comme l'explique Jean-Pierre Luminet dans la vidéo ci-dessus, bien que la structure cristalline obtenue avec le carbone ne soit pas exactement celle du diamant sur Terre.

Cette théorie a été précisée par Hugh M. Van Horn en 1967, ce qui l'a conduit à la conclusion que le processus de cristallisation devait se produire sur la base d'une théorie déjà avancée en 1934 par le grand physicien Eugène Wigner. En fin de vie, une étoile comme le Soleil devrait donc se transformer en naine blanche qui en se refroidissant deviendra un cristal de Wigner, un objet que l'on rencontre aussi en physique du solide.

M3 contient environ un demi-million d'étoiles et se trouve dans la constellation des Chiens de chasse. M13 – parfois connu sous le nom de Grand amas globulaire d'Hercule – contient un peu moins d'étoiles, seulement plusieurs centaines de milliers. Les naines blanches sont souvent utilisées pour estimer l'âge des amas globulaires, et donc une quantité importante de temps du télescope Hubble a été consacrée à l'exploration des naines blanches dans des amas globulaires anciens et densément peuplés. Hubble a observé directement des naines blanches dans des amas d'étoiles globulaires pour la première fois en 2006. © ESA, Hubble & Nasa, G. Piotto et al.

Des enveloppes d'hydrogène qui brûlent encore

Les naines blanches sont donc considérées comme des cadavres stellaires inertes se refroidissant lentement. Or il existe toute une théorie reliant la masse, le rayon, la température et la composition d'une naine blanche. Elle prédit une loi de refroidissement et donc d'évolution de sa température et de sa luminosité au cours du temps. En étudiant la composition de l'atmosphère d'une naine blanche et connaissant certains des paramètres précédents, on peut donc calculer l'âge d'une naine blanche. C'est un outil important pour faire de l'archéologie galactique et dater en particulier les amas globulaires autour des galaxies qui contiennent beaucoup de vieilles étoiles et qui ont dû se former en même temps ou presque pour chacun de ces amas.

Les astrophysiciens étudient donc les amas globulaires et en particulier ceux de la Voie lactée depuis longtemps au moyen notamment de leurs contenus en naines blanches. Voilà qu'une équipe de chercheurs vient d'annoncer une découverte intéressante à ce sujet via un article publié dans Nature Astronomy et que l'on peut lire en accès libre sur arXiv.

Tout est parti d'études dans le domaine du rayonnement ultraviolet au moyen des instruments équipant le télescope spatial Hubble dont le regard avait été tourné en direction des amas globulaires M3 et M13. Ce dernier n'est autre que l'amas d'Hercule, rendu célèbre parce qu'on a envoyé dans sa direction le fameux message d’Arecibo à destination d'éventuelles civilisations extraterrestres.

Les amas globulaires M3 et M13 partagent de nombreuses propriétés physiques telles que l'âge et la métallicité, c'est-à-dire le contenu en élément plus lourds que l'hydrogène et l'hélium. Le nom métallicité vient du fait qu'en astrophysique on qualifie de métaux tous les éléments chimiques plus « lourds » que ces deux derniers éléments. La métallicité est un indicateur de l'évolution chimique par nucléosynthèse stellaire à partir de l'hydrogène et de l'hélium du Big Bang.

Mais les astrophysiciens ont des surprises en comparant plus de 700 naines blanches dans les deux amas.

Les étoiles mourantes pourraient-elles détenir le secret pour paraître plus jeune ? Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ESA/Hubble, ESA, Nasa, N. Bartmann, G. Piotto et al., Nasa's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab, Nasa’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)

Ils ont découvert que M3 contient des naines blanches standard qui refroidissent en accord avec nos conceptions précédentes de la structure et de l'évolution stellaires.

L'amas d'Hercule, en revanche, contient deux populations de naines blanches : les naines blanches standard et celles qui ont manifestement réussi à conserver une enveloppe externe d'hydrogène entourant un cœur de matière dégénérée. Cette enveloppe était visiblement le siège de réactions thermonucléaires stables et pas catastrophiques et explosives, comme c'est le cas pour les naines blanches dans des systèmes binaires accrétant de la matière d'une étoile compagne au point de se transformer en novae, voire en supernovae SN Ia.

Ces naines blanches apparaissent donc comme plus chaudes et surtout moins âgées qu'on pourrait naïvement le croire avec un modèle stellaire classique pour une naine blanche. En comparant leurs observations avec des simulations informatiques de l'évolution stellaire de M13, les astrophysiciens en ont déduit qu'environ 70 % des naines blanches de M13 brûlent de l'hydrogène à leur surface, ralentissant ainsi leur vitesse de refroidissement.

Cette découverte pourrait avoir des conséquences sur la façon dont les astronomes mesurent l'âge des étoiles de la Voie lactée, et in fine des amas globulaires en introduisant un biais et une erreur de datation qui pourrait aller jusqu'à 1 milliard d'années. De quoi revoir des chronologies dans le domaine de l'archéologie galactique, comme on l'a dit précédemment.

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