Une petite étoile finit généralement sa vie en naine blanche lorsqu’elle a consumé tout son hydrogène et son hélium. Ici, la constellation du cygne. © ESA
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Comment calcule-t-on l’âge d’une étoile ?

Question/RéponseClassé sous :étoile , âge d'une étoile , température d'une étoile

Si on dispose d'une idée assez précise de l'âge de notre Soleil, c'est beaucoup moins vrai pour les autres étoiles. Pour estimer leur âge, les astronomes s'appuient sur des indices indirects comme la luminosité et la masse, et les comparent à des modèles théoriques.

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[EN VIDÉO] Des étoiles se forment à la limite d’un « trou de matière »  Dans les constellations du Taureau et de Persée, les astronomes identifient deux régions de formation d’étoiles. Des régions qui semblent se toucher. Un effet de la perspective. Car des images 3D de ces régions montrent aujourd’hui qu’elles sont éloignées l’une de l’autre. Séparées par une cavité, une sorte « trou de matière » béant. Selon les chercheurs, celui-ci aurait été creusé par l’explosion colossale d’une supernova il y a 10 millions d’années. Les restes de cette explosion formant justement les nuages du Taureau et de Persée. (en anglais) © Centre d’astrophysique de l’Université de Harvard 

On estime que le Soleil est âgé d'environ 4,57 milliards d’années. Cette évaluation a pu être obtenue grâce à la datation de météorites contenant des petites inclusions qui se sont formées dans le disque protoplanétaire peu après la naissance de notre étoile. Connaissant la vitesse de désintégration des isotopes présents dans ces inclusions, on peut ainsi évaluer l'âge du Soleil.

Cette méthode n'est malheureusement pas applicable aux autres étoiles puisqu'on ne dispose pas de météorites qui pourraient nous fournir des échantillons de matière primitive. Les astronomes ont donc recours à des méthodes plus indirectes. Grosso modo, il s'agit de modéliser les changements de structure interne de l'étoile ainsi que son aspect et sa composition extérieure, puis de les comparer aux résultats des observations pour en déduire l'étape du cycle de vie.

Une précision de l’ordre… du milliard d’années

Sauf que cette méthode est très imparfaite. Certaines étoiles massives vont par exemple mourir jeunes alors que d'autres plus petites vont brûler leur hydrogène plus lentement. De plus, les caractéristiques d'une étoile évoluent très, très lentement. Au cours du dernier milliard d'années, la température et la luminosité de surface de notre Soleil, par exemple, n'ont augmenté respectivement que de 20 °K et 10 %, explique Laurent Piau, collaborateur scientifique à l'Université libre de Bruxelles. « L'âge d'une étoile isolée et de faible masse, comme le Soleil, ne saurait donc être déterminé avec une précision beaucoup plus grande que le milliard d'années ».

On estime que les Pléiades, un amas d’étoiles situé à environ 360 années-lumière, se sont formées il y a 50 à 60 millions d’années. © Antonio Fernandez-Sanchez

Le diagramme de Hertzsprung-Russell

Pour les étoiles en amas, il existe heureusement une autre méthode basée sur la corrélation entre la température et la luminosité de l'étoile. Au début du XXe siècle, deux astronomes, Ejnar Hertzsprung et Henry Norris Russell, ont eu l'idée de tracer un diagramme représentant la température des étoiles en fonction de leur luminosité. On obtient ainsi un motif en diagonale allant des étoiles froides et peu lumineuses aux étoiles chaudes et brillantes. Lorsqu'une étoile s'éloigne de cette diagonale, c'est le signe qu'elle se refroidit tout en conservant sa luminosité, une phase indiquant qu'elle est en train de se transformer en géante rouge. Cette méthode n'est toutefois valable que pour les étoiles au sein d'un amas qui ont peu ou prou le même âge et qui s'éteignent donc par ordre de masse décroissante.

Le diagramme de Hertzsprung-Russell montre une concentration des amas d’étoiles selon une diagonale principale où la température des étoiles est corrélée à leur luminosité. © Richard Powell, Wikipedia

La loi de Skumanich

En 1972, l'astronome Andrew Skumanich a découvert que les amas d'étoiles jeunes ont tendance à tourner plus vite que leurs homologues plus âgés. En effet, les étoiles qui tournent plus vite perdent plus de masse et montrent par conséquent un ralentissement plus prononcé de leur vitesse de rotation. Andrew Skumanich a ainsi proposé une équation simple pour estimer l'âge d'une étoile : taux de rotation = Ωe t -1⁄2, où Ωe est la vitesse angulaire à l'équateur et t l'âge de l'étoile. Cette méthode n'est toutefois valable que pour les étoiles plus jeunes que le Soleil : les plus âgées ne ralentissent pas lorsqu'elles atteignent un certain âge, et conservent au contraire une vitesse de rotation constante.

Ces méthodes ne sont toutefois pas fiables à 100 % et dépendent notamment des mouvements convectifs à l'intérieur de l'étoile qui sont très difficiles à modéliser. En 2019, lorsque la luminosité de l’étoile géante rouge Bételgeuse s'est estompée, les astronomes n'étaient pas en mesure de dire s'il ne s'agissait que d'une phase transitoire ou si son explosion en supernova était imminente. Au-delà de la curiosité scientifique, déterminer l'âge des étoiles peut nous aider à mieux comprendre le cycle de vie stellaire et même à mieux rechercher de la vie extraterrestre.

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