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La vie et la mort des étoiles

Tout feu tout flamme

Quand on voit briller les étoiles dans le ciel nuit après nuit, restant éternellement à la même place, on a du mal à imaginer qu'elles évoluent dans le temps. Il y a 2000 ans on croyait que les étoiles étaient attachées au ciel ou qu'il s'agissait de petits trous pratiqués dans la voûte céleste qui laissaient entrevoir le feu qui se trouvait derrière. Ce n'est qu'au XXeme siècle que les astronomes comprirent réellement ce qu'étaient les étoiles et qu'ils découvrirent que Soleil faisait partie de leur famille.

Aujourd'hui nous savons où et comment les étoiles naissent, comment elles passent leurs vingt ans avec insouciance, subissent ensuite des sursauts d'éclats et grossissent en prenant de l'âge pour finir par mourir parfois violemment, un peu à l'image de la vie des hommes...

La naissance d'une étoile

Le Soleil ainsi que toutes les étoiles que tu vois dans le ciel sont nées dans un immense nuage de gaz et de poussières dont le centre plus dense et très chaud a fini par s'illuminer. Comment cela s'est-il produit ? Il faut imaginer un endroit de l'espace contenant beaucoup de gaz et de poussières, un nuage protostellaire si vaste qu'il est 10 ou 100 fois plus grand que le système solaire actuel.

Lorsque ce nuage est isolé dans l'espace et très dense on l'appelle un proplyde. Il en existe beaucoup dans la constellation d'Orion. Sous l'effet de la gravité, ce nuage de gaz et de poussières se met à tourner sur lui-même et se contracte de plus en plus, émettant des jets de gaz perpendiculairement au disque. Au centre, la température commence à augmenter et dépasse bientôt 1000°C. Le nuage continue à se contracter et finalement le centre devient si dense qu'il atteint une température d'un million de degrés et une pression titanesque. A ce moment là, il se produit des réactions nucléaires et le noyau commence à briller de lui-même. En l'espace de quelques centaines de millions d'années une étoile est née !

Juste après cette période, les planètes se forment à partir des nappes de gaz et des poussières restées à l'écart du centre. C'est ainsi que s'est formé le système solaire voici 4.6 milliards d'années.

A gauche, au coeur de la nébuleuse M16 de l'Aigle (Aquila) se trouve des amas de gaz et de poussières très denses qui abritent des molécules organiques. Sur l'agrandissement de droite qui correspond au carré clignotant, on découvre un amas de matière qui se contracte sur lui-même, nous cachant les étoiles en train de naître. Dans quelques centaines de millions d'années on verra à cet endroit une belle étoile brillante toute auréolée de gaz bleutés comme les Pléiades. Clique ici pour charger l'animation (760 KB).

A l'inverse du Soleil, la majorité des étoiles vivent en couple, formant des systèmes binaires ou multiples. Parfois ces couples sont des illusions d'optique car les deux étoiles ne tournent pas l'une autour de l'autre. La planète Jupiter aurait pu devenir une étoile si elle avait été plus massive et aurait alors formé un système double avec le Soleil.

Il existe également des étoiles variables. Au cours de leur vie leur luminosité varie de façon périodique ou irrégulièrement. Certaines changent d'éclat parce qu'un compagnon plus sombre tourne autour d'elle et affaiblit leur lumière comme durant une éclipse, c'est le cas de l'étoile Algol dans la constellation de Persée que tu peux observer à l'oeil nu. Ce changement de brillance n'est donc pas dû à une modification physique de l'étoile. On appelle ces étoiles des binaires à éclipse. D'autres étoiles changent d'éclat en quelques heures ou quelques jours avec la régularité d'une horloge, ce sont les Céphéides.

Combien de temps vit une étoile ? La durée de vie d'une étoile dépend de sa masse. Le Soleil par exemple est peu massif et est une petite étoile pas très chaude, dont la température est d'environ 6000°C à la surface et de 15 millions de degrés dans le noyau. Il devrait vivre environ 10 milliards d'années et calmement. Ensuite, lorsqu'il aura consommé presque tout son hydrogène, il va se dilater jusqu'à atteindre l'orbite de Vénus ou peut-être celui de la Terre, grillant tout sur son passage tout en devenant rouge et donc moins chaud. C'est la phase de géante rouge. Devenu gigantesque sa surface extérieure va perdre du gaz puis il va assez rapidement se dégonfler pour finalement devenir froid et tout petit, c'est la phase de naine blanche

L'évolution des étoiles

A gauche, les grandes étapes de l'évolution d'une étoile massive se résument en quelques phases clés : supergéante rouge ou bleue, étoile de type solaire, étoile naine, étoile neutron et éventuellement le trou noir si sa masse dépasse environ 20 fois celle du Soleil. A droite, l'aspect du Soleil lorsqu'il deviendra une géante rouge dans 5 milliards d'années. Il couvrira dans le ciel un angle de 69° (contre 0.5° aujourd'hui) !

La mort d'une étoile

Lorsqu'une étoile devient une naine blanche ou rouge, sa taille n'est pas plus grande que celle de la Terre et elle brille encore un peu juste avant de mourir. Elle s'éteint alors au bout de plusieurs milliards d'années et devient sombre et invisible dans le ciel. Sa surface devient solide puis glacée.

Si une étoile est beaucoup plus lourde que le Soleil, elle brûle littéralement ses vingt ans, vit tout au plus quelques centaines de millions d'années et meurt de ce fait beaucoup plus tôt et dans une mort très violente. 

Les étoiles 20 ou 50 fois plus massives que le Soleil deviennent des supergéantes rouges ou bleues en l'espace de quelques millions d'années et mênent une vie très agitée. Leur noyau est tellement massif et dense qu'il atteint une température qui dépasse 3 milliards de degrés ! Tellement instables ces étoiles finissent par exploser : c'est le phénomène de supernova. Il donne naissance à une immense bulle de gaz qui se dilate dans l'espace. Une nouvelle nébuleuse planétaire est née. 

La supernova SN1987A apparut dans la nébuleuse de la Tarentule dans le Grand Nuage de Magellan le 23 mars 1987. L'étoile bleue Sanduleak -69°202, 20 fois plus massive que le Soleil, passa de la magnitude 12 à 2.9 en une dizaine d'heures puis perdit progressivement plus de 10 magnitudes. Aujourd'hui à sa place on découvre une nébuleuse en forme de diabolo (le double anneau rouge que l'on voit sur l'image de droite à agrandir). En explosant, l'étoile a rendu tous ses constituants à l'espace.

Pendant ce temps son noyau implose sous le choc et se contracte très rapidement. Les résidus de l'étoile s'effondrent jusqu'à mesurer quelques kilomètres de diamètre; selon sa masse elle devient soit une petite étoile naine blanche, soit une étoile neutron soit un pulsar. Les deux dernières étoiles émettent des sons répétitifs que l'on peut entendre avec un radiotélescope au point que la première fois qu'on les a entendus les astronomes on cru qu'il s'agissait de messages émis par des extraterrestres !

Dans les trois cas, l'étoile continue à briller durant quelques centaines de millions d'années puis se refroidit et disparaît, se transformant en un petit astre sombre et froid à la surface solide. Si le noyau est très massif l'étoile devient un trou noir.

Trou noir, par T.Lombry

Le trou noir, une étoile effondrée

Un trou noir est une étoile très particulière. C'est une étoile morte qui s'est effondrée sur elle-même et qui finit par mesurer quelques kilomètres de diamètre seulement. Son attraction est si forte qu'elle empêche même la lumière de s'échapper de sa surface, la rendant noire. 

Bien qu'un trou noir soit invisible, les plus gros attirent tellement de matière qu'ils sont entourés d'un gigantesque nuage de gaz qui tourbillonne autour d'eux  avant d'être engloutis. Si on ne peut donc pas observer le trou noir directement, on peut observer la matière qui tombe vers lui et les effets secondaires qu'elle produit dont les rayonnements qu'elle émet dans l'espace.

Si le trou noir n'est pas entouré d'un anneau de matière, on peut s'en approcher de beaucoup plus près que d'une étoile car il est un million de fois plus petit. Mais soudainement, comme s'il y avait un trou sans fond, on est happé par sa force d'attraction à laquelle rien ne peut résister. 

On a déjà découvert des trous noirs dans l'univers, surtout dans des galaxies, et les plus grands sont capables d'attirer et d'engloutir des étoiles entières sans les déchiqueter.

Les trous noirs sont les objets les plus mystérieux de l'univers et personne ne sait exactement ce que devient la matière qu'ils ont engloutie. Cela reste l'une des plus grandes énigmes de la science.

Le trou noir

A gauche un dessin illustrant le trou noir Cygnus X-1 dix fois plus massif que le Soleil (c'est le disque noir au centre). Clique sur l'image pour lancer l'animation (Mpeg de 3.5 MB). A droite le mini trou noir 500 fois plus massifs que le Soleil qui se cache dans le coeur de la galaxie M82 de la Grande Ourse. Le point brillant indiqué par la flèche représente la chaleur émise par le disque de gaz qui tourbillonne autour du trou noir avant d'être absorbé par lui. Cette étoile effondrée ne serait pas plus grande que la Lune et pourtant, en raison de sa masse, sa force d'attraction est supérieure à celle du Soleil ! 

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