Par Alice - Le 21-11-2022
Qu'est-ce qu'une étoile et de quoi sont-elles faites ?
De quoi sont faites les étoiles ? C'est une question que presque tout le monde s'est posée à un moment ou à un autre. La réponse est un gaz très chaud ; plus précisément, de l'hydrogène et de l'hélium, mais cela commence à peine à raconter toute l'histoire.
Donc, prenons un peu de recul pendant une minute et examinons comment les étoiles se forment en premier lieu. Après avoir répondu à cette question, nous approfondirons un peu plus et résoudrons également d'autres mystères stellaires.
Comment se forment les étoiles ?
Les étoiles se forment à partir de vastes nuages de gaz (hydrogène et hélium) et de poussière, appelés nébuleuses. Ces nuages ont une taille presque incompréhensible et peuvent atteindre des centaines d'années-lumière de diamètre. (On pense que la nébuleuse de la Tarentule, intégrée au Grand Nuage de Magellan, a un diamètre d'environ mille années-lumière.)
Pour mettre les choses en perspective, dans l'espace normal, "vide", il y a environ un atome par centimètre cube, mais dans une nébuleuse, il pourrait y avoir un million d'atomes par centimètre cube. Sur les photographies, depuis notre point de vue terrestre, ils peuvent apparaître comme de magnifiques nuages colorés.
Vous pourriez penser que cela aurait l'air assez étonnant de vivre sur une planète au sein d'une nébuleuse, mais, contrairement aux films de science-fiction et aux émissions de télévision, si vous pouviez vous déplacer à travers une, vous ne verriez probablement presque rien du tout.
C'est parce que les particules de gaz et de poussière sont si petites et si éloignées les unes des autres que vous ne les remarqueriez même pas (bien que toute planète au sein d'une nébuleuse aurait presque certainement de belles pluies de météores !)
Alors, comment ces minuscules particules se rassemblent-elles pour former une étoile ? Cela nécessite littéralement une force de la nature. Dans ce cas, quelque chose doit remuer le nuage pour que les particules entrent en collision les unes avec les autres. Il peut s'agir de l'onde de choc d'une supernova proche, d'une étoile qui passe ou même d'une collision entre deux galaxies.
Lorsque les particules entrent en collision, elles se collent les unes aux autres et grossissent, gagnant de la masse au fur et à mesure qu'elles augmentent en taille. Au bout d'une dizaine de millions d'années, la protoétoile a gagné suffisamment de masse pour que son attraction gravitationnelle commence à entraîner les particules vers son centre.
Ceci entraîne une libération d'énergie et une augmentation de la pression au cœur. Les atomes d'hydrogène fusionnent alors, formant de l'hélium, et davantage d'énergie est libérée comme sous-produit du processus. C'est cette énergie qui fait briller l'étoile et, par conséquent, on peut dire que l'étoile est née.
L'ensemble du processus peut prendre entre des centaines de milliers et des dizaines de millions d'années, selon la masse de l'étoile. Plus la masse est élevée, moins il faut de temps - mais aussi plus la durée de vie de l'étoile est courte. Une étoile typique semblable au soleil mettrait environ dix millions d'années pour atteindre ce stade.
C'est également à ce moment que l'étoile souffle un vent stellaire, empêchant davantage de gaz et de poussière de tomber vers elle. Le gaz et la poussière restants continuent à entrer en collision et peuvent former des planètes, des lunes, des astéroïdes et des comètes.
Qu'y a-t-il à l'intérieur d'une étoile ?
Une fois qu'elle brille, les réactions nucléaires se poursuivent au cœur de l'étoile. Les atomes d'hydrogène continuent de fusionner, formant de l'hélium et générant de grandes quantités de rayonnement thermique, sous forme de chaleur et de lumière. Dans notre propre système solaire, le noyau représente environ 20 à 25 % du rayon du Soleil.
Encerclant le noyau se trouve la zone radiative, à travers laquelle le rayonnement thermique passe pour atteindre la surface. La zone radiative s'étend à environ 70 % du rayon du Soleil et transporte l'énergie sous forme de particules appelées photons.
Vient ensuite une couche de transition relativement étroite appelée tachocline. Celle-ci agit comme un tampon entre la zone radiative - où l'énergie se déplace en ondes - et la zone convective, où cette énergie est mélangée et barattée.
L'énergie se refroidit en se déplaçant vers la surface, ce qui entraîne une augmentation de sa densité et sa redescente vers la tachocline. En s'enfonçant, elle se réchauffe et se dilate, entraînant une diminution de sa densité et une remontée de l'énergie. De cette façon, le cycle de convection recommence.
La surface visible du Soleil est appelée la photosphère. C'est là que se forment les taches solaires qui apparaissent comme des marques noires contre la surface aveuglante du Soleil. Ces taches apparaissent sombres parce qu'elles sont plus froides que la surface solaire environnante et qu'elles sont formées par le champ magnétique du Soleil qui inhibe la convection.
La photosphère est également la couche la plus basse de l'atmosphère du Soleil et s'étend sur environ 300 miles ou à peu près 500 kilomètres. L'atmosphère est composée de la chromosphère, de la région de transition, de la couronne et de l'héliosphère et s'étend sur environ neuf millions de miles (plus de quatorze millions de kilomètres) au total - soit près d'un dixième de la distance entre la Terre et le Soleil.
Vous pouvez réellement voir la couronne pendant une éclipse solaire totale. C'est le halo blanc qui semble entourer la silhouette assombrie de la Lune lorsqu'elle passe devant le Soleil.
Curieusement, la température dans l'atmosphère est plus chaude que la surface du Soleil, mais personne ne sait vraiment pourquoi.
Pourquoi certaines étoiles sont-elles plus grosses que d'autres ?
Un autre mystère non résolu jusqu'à présent est de savoir pourquoi certaines étoiles sont plus grosses que d'autres. Par exemple, l'étoile Rigel, dans la constellation hivernale d'Orion le chasseur, serait environ 21 fois plus massive que le Soleil et aurait un rayon d'environ 79 fois celui du Soleil. Si elle était placée au centre du système solaire, elle atteindrait presque Mercure.
Comment est-elle devenue si grande ? Jusqu'au début de 2009, personne ne le savait vraiment. En théorie, la pression de l'énergie rayonnant d'une étoile massive devrait souffler le gaz et la poussière qui l'entourent, empêchant toute autre matière de tomber vers l'intérieur. En conséquence, l'étoile devrait cesser de croître.
Mais selon des simulations informatiques rapportées début 2009, ce n'est pas ce qui se passe. Au fur et à mesure que la poussière tombe vers l'étoile, des instabilités forment des canaux qui permettent à l'énergie de rayonner vers l'extérieur. Pendant ce temps, d'autres canaux se forment et permettent à la poussière environnante de tomber. Par conséquent, l'étoile continue de croître.
D'autres étoiles sont plus grandes simplement parce qu'elles arrivent à la fin de leur vie. Par exemple, l'étoile Bételgeuse, voisine de Rigel dans Orion, est probablement la plus grande étoile facilement visible à l'œil nu. Une supergéante rouge, si vous deviez la placer au centre de notre système solaire, elle s'étendrait probablement au-delà de l'orbite de Jupiter et pourrait peut-être atteindre la moitié de Saturne. Elle est si grande qu'elle pourrait contenir un milliard de soleils en son sein.
Malgré son âge d'environ 8 millions d'années seulement, elle a déjà épuisé tout l'hydrogène de son noyau, ce qui l'a fait gonfler et s'étendre. À un moment donné dans le futur - ce pourrait être ce soir, demain ou dans mille ans - elle explosera sous forme de supernova.
Pourquoi certaines étoiles sont-elles plus brillantes que d'autres ?
Cela, encore une fois, est lié à la masse d'une étoile. Si vous pouviez placer toutes les étoiles à une distance égale de la Terre, les étoiles les plus grandes et les plus massives brilleraient le plus. Ce n'est pas parce qu'elles sont plus grosses et - théoriquement - plus faciles à voir.
Les étoiles massives rayonnent plus de lumière parce qu'il y a beaucoup plus de pression qui pèse sur le noyau. Pour que l'étoile reste stable, elle doit pousser plus d'énergie thermique vers l'extérieur pour contrebalancer la gravité qui y pousse.
Cette énergie (résultat de la fusion de l'hydrogène en hélium) rayonne sous forme de chaleur et de lumière. Ainsi, plus l'étoile est massive, plus elle produit de chaleur et de lumière. Par conséquent, l'étoile est plus brillante.
Pourquoi les étoiles ont-elles des couleurs différentes ?
La production d'énergie d'une étoile explique également pourquoi les étoiles ont des couleurs différentes. Les étoiles les plus chaudes et les plus brillantes apparaissent en bleu. Cela est dû au fait que l'énergie thermique émet la plupart de sa lumière à l'extrémité bleue du spectre. Plus l'énergie est produite, plus la lumière bleue est émise.
Comme la lumière rouge apparaît à l'autre extrémité du spectre, il va de soi que les étoiles rouges sont généralement plus froides et moins brillantes. Comme beaucoup de ces étoiles rouges sont plus petites et moins massives, moins d'énergie est nécessaire pour contrer la gravité qui pousse vers l'intérieur. Avec moins d'énergie thermique produite, la température de surface de l'étoile est plus basse et il y a peu de lumière émise à l'extrémité bleue du spectre.
Alors pourquoi n'y a-t-il pas d'étoiles vertes ou violettes ? Elles existent, mais nos yeux ne peuvent pas vraiment les voir. Pour aider à expliquer, considérons notre propre Soleil.
En réalité, notre Soleil n'est pas jaune, mais blanc. Par conséquent, nos yeux ont évolué pour être sensibles à la lumière blanche. Une étoile verte émet principalement de la lumière en plein milieu du spectre, mais elle émet en fait de la lumière dans toutes les couleurs, sur l'ensemble du spectre. Donc, nous ne voyons pas une étoile verte, nous voyons une étoile blanche.
C'est un peu différent avec les étoiles violettes. Leur lumière est émise près de l'extrémité bleue du spectre et émet de la lumière bleue en plus du violet. Comme nos yeux sont plus naturellement adaptés pour voir le bleu, plutôt que le violet, nous voyons cette couleur.
Que se passe-t-il lorsque les étoiles meurent ?
Une étoile continuera de briller tant qu'elle pourra fusionner de l'hydrogène en hélium. Comme l'hydrogène n'est pas renouvelé, une fois qu'elle a brûlé toute sa réserve d'hydrogène, il n'y a plus de carburant et l'étoile atteint la fin de sa vie.
Ce qui se passe ensuite dépend vraiment de sa masse. Une étoile unique environ dix fois plus massive que le Soleil explosera généralement en supernova. Cela se produit parce qu'elle n'est plus en mesure de rayonner suffisamment d'énergie pour contrer la force de gravité qui la pousse vers l'intérieur. La gravité attire la matière vers le bas, vers le noyau, qui implose alors sous la pression, provoquant une supernova.
(Dans les systèmes binaires, une étoile peut cannibaliser la matière de sa partenaire. Dans cette situation, l'étoile cannibale gagne tellement de masse qu'elle ne peut plus produire assez d'énergie pour contrer la matière qui la pousse vers le bas. Par conséquent, l'étoile explose.)
Si l'étoile est suffisamment grande, le noyau peut continuer à s'effondrer et former un trou noir. Ces trous noirs stellaires ont initialement une masse d'environ dix soleils mais ne mesurent qu'une dizaine de kilomètres de diamètre. Le "trou" continue ensuite à devenir plus massif car son immense gravité attire d'autres matériaux vers lui.
D'autres étoiles de moindre masse peuvent former des étoiles à neutrons. Dans cette situation, le noyau continue de s'effondrer, la pression résultante provoquant la combinaison des électrons et des protons en neutrons. Ces étoiles ne mesurent généralement qu'environ 16 kilomètres de diamètre, mais ont une masse de plusieurs Soleils.
Elles tournent également incroyablement vite - des milliers de fois par minute - un sous-produit de la supernova qui les a créées.
Qu'en est-il des étoiles comme notre Soleil ? Comment le Soleil va-t-il mourir ? Une fois que le Soleil aura brûlé l'hydrogène de son noyau, il continuera à brûler l'hydrogène présent dans ses couches extérieures. En conséquence, il se dilatera à mesure que sa densité diminuera et sa lumière deviendra rouge parce que moins d'énergie est émise.
Alors que cela se produit, il entrera dans la phase de la géante rouge et deviendra plusieurs fois plus grand qu'il ne l'est maintenant. À un moment donné, elle avalera les planètes Mercure, Vénus et, plus que probablement, la Terre aussi. (Mais ne vous inquiétez pas, il nous reste environ cinq milliards d'années à vivre.)
Dans chacun de ces scénarios, des coquilles de gaz et de poussière sont expulsées et s'étendent dans l'espace au fur et à mesure que l'étoile meurt. Nombre de ces coquilles peuvent en fait être observées au télescope depuis la Terre. La nébuleuse de l'anneau, dans la constellation d'été de la Lyre, en est un bon exemple. Un grand télescope révélera les minuscules restes de l'étoile au centre de l'anneau.
Pour le Soleil, l'enveloppe extérieure de gaz et de poussière finira par se dissiper, laissant derrière elle les restes du noyau - une naine blanche. Dans cet état, le Soleil pourrait exister pendant des milliards, voire des trillions d'années avant de finalement se refroidir et de cesser d'émettre de la lumière ou de la chaleur. À ce moment-là, il devient une naine noire.
(Les étoiles naines noires sont théoriques car l'univers n'existe pas depuis assez longtemps pour qu'une naine blanche puisse réellement évoluer aussi loin !)
À bien des égards, il est faux de penser que les étoiles meurent - ou du moins, pas de la manière dont nous pensons à la mort. Si quelque chose, vous pourriez penser que les étoiles comme le Soleil sont presque embryonnaires, avec la grande majorité de leur vie passée sous une autre forme tout au long des milliards ou trillions d'années après le stade de géante rouge.
Que dire du gaz et de la poussière qui ont été éjectés pendant ce stade de géante rouge (ou la supernova occasionnelle) ? Dans un parfait exemple de recyclage cosmique, ces particules finiront par former de nouvelles nébuleuses, de nouvelles étoiles, et même de nouveaux systèmes solaires.
Pour citer le regretté Carl Sagan, "nous sommes faits de matière stellaire". Tout ce que vous voyez autour de vous, que ce soit vivant ou inanimé, est fait d'atomes qui ont un jour existé au sein d'une étoile. Lorsque nous aurons disparu, une infime partie de nous vivra dans de nouveaux Soleils et peut-être même dans de nouvelles formes de vie.
De quoi sont faites les étoiles ? Oui, elles sont faites d'hydrogène et d'hélium, mais elles sont aussi faites des cendres du passé. Et un jour, elles seront faites des cendres de notre futur.
