Le diagramme HR

Dans l'article précédent, nous avons vu que nous pouvons utiliser les spectres pour obtenir beaucoup d'informations sur les étoiles. Mais si vous combinez cela avec les mesures de distance des étoiles, les choses deviennent vraiment incroyables. En mesurant la luminosité d’une étoile et en calculant sa distance, vous pouvez connaître la quantité d'énergie réellement produite par l’étoile, ce que les astronomes appellent la magnitude absolue.


C'est la clé pour comprendre les étoiles. Car jusque-là, on supposait qu’une étoile qui brille faiblement dans le ciel était très lointaine, et qu’une étoile très lumineuse était très proche. Grâce à la spectroscopie, nous pouvons corriger cela. Nous connaissons désormais les températures réelles des étoiles, ainsi que la longueur d’onde dans laquelle elles émettent leur maximum de lumière. Connaissant leurs distances, nous pouvons en déduire leurs tailles réelles, et ainsi corriger toute la cartographie des étoiles proches.


De nombreuses caractéristiques physiques d'une étoile sont liées : la luminosité dépend de la taille et de la température. Si deux étoiles ont la même taille, mais que l'une est plus chaude, la plus chaude sera plus lumineuse. Si deux étoiles ont la même température, mais que l'une est plus grosse, la plus grosse sera plus lumineuse. Connaître la température et la distance signifie connaître les étoiles elles-mêmes. Ainsi, il y a un siècle, les astronomes ont réalisé les spectres de plusieurs milliers d’étoiles.


A gauche : Ejnar Hertzsprung (1873-1967)

A droite : Henry Russell (1877-1957)


De nouvelles questions sont alors apparues : y a-t-il une relation entre couleur et distance ? Et entre la température et la taille d’une étoile ? Pour y répondre, il faut alors comparer tous les spectres de toutes les manières possibles. En 1911, l’astronome danois Ejnar Hertzsprung (1873-1967) compara la couleur et la magnitude absolue d’un groupe d’étoiles dont la distance était connue. Indépendamment, en 1913, l’astronome américain Henry Russell (1877-1957) fit la même étude à partir du type spectral. Ils réalisèrent des graphiques, dans lesquels ils mirent en relation la luminosité des étoiles en fonction de leur température. A leur grande surprise, ils réalisèrent que les étoiles ne se répartissaient pas au hasard. Bien au contraire, les étoiles se regroupent dans certaines régions du graphiques entre lesquelles il n’y a quasiment pas d’étoiles. Le DIAGRAMME HR, nommé d'après Hertzsprung et Russell est aujourd’hui le graphique le plus important de toute l'astronomie !


CE QUE RÉVÈLE LE DIAGRAMME HR


Dans ce graphique, les étoiles les plus lumineuses se situent tout en haut, alors que les moins lumineuses sont en bas. Les étoiles bleues, les plus chaudes, sont à gauche et les étoiles rouges, les moins chaudes, à droite.



On peut définir trois régions principales dans ce diagramme. Un premier regroupement d’étoiles en une bande étroite, en diagonale, appelée SÉQUENCE PRINCIPALE. Une autre accumulation d’étoiles appelée BRANCHE DES GEANTES s’étend horizontalement au-dessus de la séquence principale. Enfin, une branche au-dessus de la branche des géantes, composées d’étoiles qui ont des luminosités supérieures à celle des géantes, et que l’on appelle BRANCHES DES SUPERGEANTES. D’autres étoiles se trouvent bien en dessous de la séquence principale : ce sont les naines blanches, des étoiles au très petit rayon. Attention à ne pas confondre les étoiles naines et les naines blanches. Les étoiles naines sont les étoiles de la séquence principale. Elles sont qualifiées de naines par rapport aux étoiles géantes et supergéantes. Les naines blanches sont des étoiles bien plus petites que les étoiles naines. Généralement, elles représentent l’évolution des étoiles naines comme le Soleil.


La distribution des étoiles dans le diagramme HR n’est évidemment pas le fruit du hasard. Cela a pris beaucoup de temps pour bien le comprendre, mais nous savons maintenant que ce diagramme nous montre comment les étoiles évoluent au cours de leur vie.


La plupart des étoiles se situent sur la séquence principale. La raison pour laquelle la séquence principale a cette forme est en lien avec la façon dont les étoiles produisent leur énergie. Comme le Soleil, les étoiles génèrent de l'énergie en fusionnant de l'hydrogène en hélium dans leur cœur. Une étoile qui fusionne l'hydrogène très rapidement sera plus chaude, car elle produit plus d'énergie. La vitesse de fusion dépend de la pression dans le cœur de l’étoile. Les étoiles les plus massives exercent une forte pression sur leur cœur, de sorte qu'elles fusionnent très rapidement l’hydrogène et deviennent plus chaudes que les étoiles de faible masse. Comme une étoile passe l'essentiel de sa vie à fusion l’hydrogène en hélium, on les trouve sur la séquence principale. Les étoiles massives sont plus chaudes et plus lumineuses, elles se situent donc en haut à gauche de la séquence principale. Les étoiles de masse inférieure sont plus froides et plus rouges, on les retrouve en bas à droite. Le Soleil est là aussi, plus ou moins au milieu.


Les étoiles en bas à gauche sont chaudes, de couleur bleu-blanc, mais très peu lumineuses. Cela signifie qu'elles doivent être petites. Ce sont les naines blanches.


Les étoiles en haut à droite sont lumineuses mais peu chaudes. Elles doivent donc être énormes. Ce sont des géantes rouges. Au-dessus d’elles, on trouve des étoiles rouges encore plus lumineuses. Ce sont les supergéantes rouges. Il y a également d’autres étoiles supergéantes encore plus lumineuses. Elles se situent en haut à gauche. Ce sont des supergéantes bleues. Elles sont très rares, car elles constituent l’étape finale de l’évolution de certaines étoiles. Mais nous y reviendrons dans un prochain article.


Au cours de leur évolution, les étoiles vont changer de position sur le diagramme HR. Ce diagramme nous permet de savoir d'un coup d'œil comment une étoile va évoluer. Les différentes façons dont les étoiles évoluent en fonction de leur masse est extrêmement important pour mieux comprendre ce que nous voyons dans le ciel. Nous en reparlerons dans les prochains articles.


A RETENIR :

  • Le diagramme HR donne la luminosité des étoiles en fonction de leur température de surface.

  • La plupart des étoiles se situent le long de la séquence principale où elles passent la majeure partie de leur vie.

BIBLIOGRAPHIE :

  • Cours du Diplôme Universitaire d'astronomie (2004)

  • Astronomie et astrophysique, Séguin et Villeneuve, 2e édition, Ed : De Boeck Université (2002)


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