On voit sur cette image d'artiste un hohlraum – un minuscule cylindre d'or tenant lieu de four dans des expériences sur la fusion inertielle à hautes pressions avec des lasers, ici utilisé pour reproduire l'état de la matière dans une naine blanche en comprimant avec du rayonnement X une microsphère. © Mark Meamber et Clayton Dahlen, Lawrence Livermore National Laboratory
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L'intérieur d'une naine blanche reconstitué sur Terre !

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Les naines blanches sont des cadavres stellaires pouvant contenir la masse du Soleil dans le volume de la Terre. La matière y est très dense et nécessite pour être comprise de combiner, comme on sait le faire, les lois de la relativité restreinte et de la mécanique quantique. On arrive aujourd'hui à étudier expérimentalement l'état de cette matière en comprimant des atomes à presque un milliard d'atmosphères avec des lasers.

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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. 

La majorité des étoiles dans la Voie lactée sont des naines, des rouges en particulier comme Proxima Centauri ou Trappist 1. Il y a aussi de nombreuses naines jaunes comme notre Soleil. Elles partageront toutes un destin commun avec les étoiles de moins de huit masses solaires, elles ne finiront pas en supernovae SN II. Elles finiront toutefois par mourir en épuisant leur carburant nucléaire et elles se transformeront alors en naines blanches, une fois les réactions thermonucléaires de type proton-proton et CNO devenues impossibles.

Toutes n'en resteront pas là et si elles vont pouvoir se cristalliser, à force de se refroidir, en donnant des sortes de diamants de la taille de la Terre à partir de leur noyau très riche en carbone (un cristal de Wigner pour être précis), certaines finiront parfois sous forme de supernovae SN Ia lorsqu'elles sont en couple dans un système binaire.

Si les astronomes ont fait la découverte des naines blanches au XVIIIe siècle, ils n'ont commencé à se rendre compte à quel point ces astres étaient exotiques qu'au tout début du XXe siècle avec la détermination de l'extraordinaire densité des naines blanches. Une valeur de l'ordre de la tonne par centimètre cube fut en effet déduite de l'observation d'étoiles comme Sirius B.

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

Il n'a été possible de comprendre et d'étudier la nature et l'origine des naines blanches que depuis moins d'un siècle, depuis les travaux du physicien Ralph Fowler et de l'astrophysicien Subrahmanyan Chandrasekhar. Fowler comprit le premier que la toute nouvelle mécanique statistique quantique découverte par son collègue Paul Dirac à la fin des années 1920 (qui 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. Reprenant rapidement au début des années 1930 les travaux de Fowler, le tout jeune 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.

Les naines blanches, des astres qui vibrent et pulsent

On étudie ces cadavres stellaires encore de nos jours, notamment observationnellement grâce à l'astérosismologie, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous. Mais, tout comme il a été nécessaire de reproduire en laboratoire les conditions physiques et la composition des roches du manteau de la Terre pour progresser dans l'étude de sa structure à l'aide de la sismologie, les physiciens ont entrepris de reconstituer sur notre Planète bleue les conditions régnant à l'intérieur des naines blanches. Ceci afin de préciser ce que l'on appelle en thermodynamique l'équation d'état de la matière les composant.

Les derniers travaux à ce sujet sont exposés dans un article publié dans Nature et qui relate les expériences faites avec les faisceaux laser disponibles au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), là où se trouve l'une des plus puissantes sources de lumière laser sur Terre avec la National Ignition Facility (NIF), qui sert en particulier à faire des expériences sur la fusion contrôlée inertielle. On y mène également des expériences de hautes pressions pour explorer l'intérieur des planètes géantes comme Jupiter.

Pour être précis, les chercheurs ont voulu préciser l'équation d'état de la matière à l'intérieur d'une sous-classe bien précise de naines blanches identifiée au début des années 2000. Rappelons qu'en spectroscopie, les naines blanches forment la classe D de la classification spectrale des étoiles. Elles sont réparties entre plusieurs sous-classes - DA, DB, DC, DO, DQ et DZ - en fonction des caractéristiques de leur spectre. En l'occurrence, la recherche a porté sur la classe DQ qui se singularise par une atmosphère pauvre en hydrogène et hélium, contrairement à la majorité des naines blanches, mais particulièrement riche en carbone, entourant un noyau d'oxygène et de carbone.

Dans les expériences réalisées, les physiciens ont utilisé un échantillon sphérique d'un millimètre d'un composé à base de carbone connu sous le nom de méthylidyne (CH), un exemple de carbyne désignant en chimie un radical carbone monovalent. Il était placé dans un minuscule cylindre d'or constituant un hohlraum comme ceux utilisés pour faire de la fusion. Les ouvertures aux deux bouts du cylindre permettent d'y faire pénétrer les faisceaux laser qui chauffent les parois internes. Celles-ci émettent un rayonnement X intense qui apporte l'énergie nécessaire au microballon pour le comprimer et le chauffer. La petite coquille de polymère entourant la méthylidyne se sublimant rapidement, le départ de la matière vaporisée par les lasers exerçait en retour une force de pression portant les radicaux CH à près de 3,5 millions de degrés et à des pressions allant de 100 à 450 millions d'atmosphères. Le phénomène résultait de la fusion d'ondes de choc se déplaçant à une vitesse de 150 à 220 kilomètres par seconde et traversant l'échantillon en environ neuf nanosecondes.

Les précisions obtenues sur l'équation d'état de la matière dans les naines DQ devraient permettre de mieux comprendre les pulsations que l'on observe avec ses naines blanches tout comme une meilleure compréhension de la composition d'un instrument de musique permet de mieux comprendre les sons qu'il produit.

  • La structure des étoiles conditionne et reflète l'évolution, l'histoire de ces astres. Beaucoup deviendront des naines blanches qui sont des cadavres stellaires pouvant contenir la masse du Soleil dans le volume de la Terre. La matière y est très dense et nécessite pour être comprise de combiner les lois de la relativité restreinte et de la mécanique quantique.
  • On arrive aujourd'hui à étudier expérimentalement l'état de cette matière en comprimant des atomes à presque un milliard d'atmosphères avec des lasers.
  • Pour décrypter cette structure et cette histoire, les astrophysiciens ont aussi développé l'analogue de la sismologie : l'astérosismologie.
  • Pour la première fois, grâce à cette dernière, ils ont pu sonder avec précision l'intérieur d'une naine blanche.
  • Les résultats obtenus ne sont pas conformes aux prédictions des modèles, qu'il va donc falloir réviser un peu justement en obtenant une meilleure équation d'état de la matière à l'intérieur des naines blanches.
Pour en savoir plus

Plongée à l'intérieur d'une naine blanche, une première !

Article de Laurent Sacco publié le 13/01/2018

Le satellite Kepler permet de découvrir des exoplanètes mais également de sonder l'intérieur des étoiles. Une équipe internationale s'en est servie pour révéler le cœur d'une naine blanche. Surprise : celui-ci ne correspond pas exactement aux prévisions des astrophysiciens...

Les années 1950 et 1960 ont vu les progrès fulgurants de l'astrophysique nucléaire emboîter le pas aux travaux des pionniers de la structure stellaire des années 1920 à 1930, tels Arthur Eddington et Subrahmanyan Chandrasekhar. Ces progrès ont notamment été marqués par les travaux de chercheurs comme Fred Hoyle, Edwin Salpeter et les Burbidge. Grâce à eux, et conjointement avec la montée en puissance des ordinateurs et l'afflux grandissant des données sur les populations d'étoiles, une théorie de l'évolution stellaire a pu être bâtie.

Mais comment être vraiment sûr de ce que contiennent les étoiles ? Comment savoir quels sont les mécanismes qui les font évoluer ? En jouant (notamment) au même jeu que celui des géophysiciens sur Terre, c'est-à-dire en développant l'analogue de la sismologie : l'astérosismologie.

En effet, les étoiles peuvent vibrer et être parcourues d'ondes. Les spectres de ces ondes reflètent la structure et la composition des étoiles, tout comme le son d'un instrument de musique nous renseigne sur ce qu'il est. Ces ondes font vibrer la surface des étoiles en modifiant leur luminosité et il est donc possible, grâce à des instruments comme ceux du satellite Kepler (qui dressent une courbe des variations de l'intensité de la lumière des astres), d'écouter en quelque sorte indirectement la musique des étoiles.

Jean-Pierre Luminet nous parle de l'héliosismologie. © Jean-Pierre Luminet, YouTube

Le cœur des naines blanches est difficile à cartographier

Les modèles de l'intérieur du Soleil ont été validés de cette façon : en faisant de l'héliosismologie. L'intérieur d'autres étoiles de type solaire a également pu être sondé, ainsi que celui des géantes rouges, grâce aux observations de Kepler et de Corot.

Quant à l'intérieur des naines blanches, il n'est pas aussi facile à cartographier. C'est pourtant ce qu'a réussi à faire une équipe internationale d'astrophysiciens menée par une jeune chercheuse de l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Irap, CNRS et UPS), qui va publier bientôt dans Nature les résultats de ses travaux d'astérosismologie concernant la naine blanche KIC 08626021.

Les tremblements d’une étoile génèrent des vibrations se propageant parfois jusqu’au cœur de l’astre, comme ici pour la naine blanche KIC 08626021. Les modes de vibration (à droite) sont le reflet de la structure interne des étoiles (voir aussi la vidéo de Jean-Pierre Luminet ci-dessus). © Stéphane Charpinet, Insu

Des strates d'éléments chimiques qui retracent l'histoire de l'étoile

L'astrophysique nucléaire et la théorie de la structure stellaire nous disent que, selon leurs masses, des étoiles moins massives d'environ 8 à 10 fois notre Soleil ne deviendront jamais des supernovae et seront le lieu de différentes réactions de fusion thermonucléaire avant de finir leur vie sous forme de naines blanches (ce qui est le destin d'environ 97 % des étoiles).

Les naines blanches les plus légères se contenteront de faire fusionner l'hydrogène et le deutérium pour donner de l'hélium ; celles un peu plus massives feront fusionner l'hélium, ce qui donnera des noyaux de carbone et d'oxygène. Les températures étant décroissantes du cœur de l'étoile vers sa surface et évoluant dans le temps avec la vie de l'astre, des strates de compositions différentes, déterminées par les réactions possibles, se mettront en place dans ces étoiles. Il pourra, par exemple, y avoir un cœur où l'hélium se transforme en carbone entouré d'une coquille où l'hydrogène continue de brûler pour donner de l'hélium.

L'évolution et la structure des étoiles destinées à devenir des naines blanches sont, bien sûr, plus complexes que cette description ne le laisse penser (il y a des phénomènes de transferts radiatifs, de mélanges convectifs et de stratifications). Toutefois, de même que les dépôts et les caractéristiques des couches de sédiments et de roches sur Terre gardent la mémoire de l'histoire de notre Planète, la composition et la structuration précises des naines blanches devraient garder des informations précieuses nous permettant de mieux comprendre la physique et l'histoire des étoiles.

Dans le cas de KIC 08626021, les chercheurs ont découvert que son cœur est nettement plus grand et plus riche en oxygène que les modèles ne le laissaient entendre. Cette information, jointe à l'accès au profil de distribution des principaux éléments chimiques présents, devrait nous aider à rectifier et préciser ces modèles. En particulier, cela permettra d'affiner l'usage qui est fait des naines blanches en tant que chronomètre cosmochimique pour étudier l'histoire de la Voie lactée.


Écoutez les vibrations d'une naine blanche au cœur cristallisé

Article de Laurent Sacco publié le 24/06/2013

On vient de découvrir une naine blanche massive dont l'atmosphère vibre du fait des analogues des ondes sismiques parcourant la Terre. Comme pour le Soleil, on peut donc sonder son intérieur avec l'astérosismologie et tester les modèles de ces étoiles massives.

Corot est hors service et Kepler agonise. Ces télescopes spatiaux n'ont pas fait que chasser les exoplanètes, ils ont également été conçus pour l'astérosismologie. Avec eux, on pouvait par exemple sonder l'intérieur des géantes rouges. Heureusement, on dispose encore d'instruments au sol qui permettent d'écouter les ondes qui font pulser les étoiles. Le télescope de 2,1 mètres du McDonald Observatory au Texas a récemment permis d'écouter le chant du cygne d'une étoile presque défunte assez particulière, comme l'explique des astrophysiciens dans un article déposé sur arxiv.

Vue d'artiste d'une naine blanche au cœur de diamant. Les naines blanches les plus massives ont aussi un cœur cristallisé, mais pas en diamant. © Travis Metcalfe, Ruth Bazinet, Harvard,Smithsonian Center for Astrophysics

Il s'agit d'une naine blanche nommée GD 518, qui se trouve dans la constellation du Dragon à environ 170 années-lumière de la Terre. Sa masse n'est pas très loin de la mythique limite de Chandrasekhar, car elle est de 1,2 masse solaire. Il s'agit donc du résidu compact d'une étoile, qui devait contenir plusieurs fois la masse du Soleil avant d'éjecter une partie de sa matière en devenant une géante rouge.

Le grand astrophysicien théoricien Subrahmanyan Chandrasekhar a donné la première description valide de la structure des naines blanches. Étape finale de l'évolution des étoiles contenant au maximum quelques masses solaires quand elles ont épuisé leur carburant nucléaire, elles peuvent 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.

Extrait du documentaire Du Big Bang au vivant (www.dubigbangauvivant.com). Jean-Pierre Luminet parle de l'évolution des étoiles de type solaire, leur transformation en géante rouge puis en naine blanche. © ECP Productions

Un cœur de néon et d'oxygène auscultable par astérosismologie

Avec les progrès de l'astrophysique nucléaire d'après-guerre, on a compris 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 de l'année 1961 que divers astrophysiciens théoriciens, dont Salpeter, ont compris 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.

GD 518 est plus massive que la moyenne des naines blanches que l'on connaît. L'étoile dont elle provient a dû être si chaude que son cœur a fait fusionner les éléments qu'il contenait, comme du carbone, pour fabriquer du néon. Il est donc probable que GD 518 contiennent non pas un cœur cristallisé d'oxygène et de carbone, mais bien plutôt d'oxygène et de néon.

Or, l'atmosphère de cette naine blanche est visiblement parcourue par des ondes provenant de l'intérieur de l'étoile et qui font fluctuer sa luminosité. Selon les chercheurs, on peut donc pour la première fois faire de l'astérosismologie avec une naine blanche massive. Il est ainsi possible de vérifier les théories concernant la structure interne de ces étoiles, et donc aussi la théorie de l'évolution stellaire pour les naines blanches massives.

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