Naines blanches et nébuleuses planétaires



Dans l'article précédent, nous avons parlé de l’évolution des étoiles qui ont une masse similaire au Soleil. Après une suite d'expansions et de contractions, elles éjectent leurs couches externes, deviennent des naines blanches, qui s’éteignent au bout de quelques milliards d'années. Est-ce là fin de l’étoile ? Pas forcément. Dans cet article, nous allons voir que l'évolution des naines blanches produit l'un des les plus beaux objets de l'Univers.


Pour rappel, lorsque le Soleil vieillit, il subit une série de changements dans son noyau. Actuellement, l'hydrogène fusionne en hélium, et plus tard, l'hélium fusionne en carbone. Quand le cœur de l’étoile a épuisé l’hélium, l’étoile n’est pas assez massive pour fusionner le carbone. Une fois que le noyau est presque en carbone pur, la fusion s'arrête. À ce moment-là, les couches externes du Soleil auront disparu, expulsées par les différentes activités qui se produisent dans le noyau. Ce qui reste de notre étoile n'est que son noyau, mis à nu dans le vide de l'espace. Il mettra plusieurs milliards d'années pour se refroidir.


Lorsque la fusion de l'hélium s'arrêtera, le noyau du Soleil aura environ la moitié de la masse du Soleil actuel ; le reste de l’étoile sera soufflé dans l'espace. Ce qui reste est essentiellement composé d'électrons et de noyaux de carbone, mélangés avec une petite quantité de quelques autres éléments. A quoi ressemble cet objet ?


Vous savez peut-être que les charges électriques semblables se repoussent. Comme les électrons ont une charge négative, ils se repoussent. Plus vous les serrez fort, plus la pression augmente. Mais il existe également une deuxième force, appelée pression de dégénérescence des électrons. C'est le résultat de certaines règles étranges de la mécanique quantique. Elle décrit comment les particules subatomiques se comportent à de minuscules échelles. L'une de ces règles est que les électrons détestent vraiment être serrés les uns contre les autres, au-delà de la simple répulsion électrique. Cette résistance est une force phénoménale, qui devient la force dominante pour empêcher que le noyau ne s'effondre sur lui-même une fois la fusion de l'hélium terminée. Au moment où cette pression de dégénérescence des électrons équilibre l'immense gravité du noyau, le noyau est à peu près de la taille de la Terre, soit 1% de la taille du Soleil actuel. On appelle cela une NAINE BLANCHE.


Une étoile naine blanche à la même taille que la Terre.


Les naines blanches ont des caractéristiques très étonnantes. Tout s'amplifie à mesure que sa taille diminue. L’étoile devient extrêmement dense ; un seul centimètre cube, soit la taille d’un dé à six faces, a une masse d'un million de grammes, soit une tonne par mètre cube. La forte densité implique une gravité très intense à la surface d'une naine blanche, facilement 100 000 fois la gravité terrestre. Cela veut dire que si vous avez une masse de 75 kilos sur Terre, vous pèseriez 7 500 tonnes à la surface d'une naine blanche. Vous ne pourriez pas tenir debout, et vous finirez aplati comme une crêpe ! Mais pas pour longtemps. Généralement, leur température de surface est de l’ordre de 12 000 °C, ce qui leur donne une couleur blanche. D'où leur nom. Mais certaines naines blanches ont des températures de l’ordre de 100 000°C pour les plus chaudes. Si vous étiez à leur surface, vous seriez vaporisé. Les plus chaudes rayonnent leur maximum de lumière dans l'ultraviolet, parfois même dans les rayons X. Mais comme leur diamètre est très petit, généralement la taille de la Terre, elles sont très peu lumineuses. La naine blanche la plus proche de nous fait partie du système binaire de l’étoile Sirius. Bien qu’elle soit à seulement 8 années-lumière, Sirius B n’est visible qu’avec un télescope. Plus de 10 000 naines blanches sont aujourd’hui connues dans notre galaxie.


Sirius est une étoile binaire : au centre, Sirius A est une étoile deux fois plus grande que le Soleil. En dessous, sur la gauche, Sirius B est une naine blanche.


Le gaz situé à proximité d'une naine blanche est affecté par le rayonnement intense qu’elles émettent. Car au moment où la naine blanche se forme, le gaz soufflé par l’étoile n'est pas très loin du cœur, au mieux, une année-lumière ou deux. C'est assez proche pour être affecté par le rayonnement de la naine blanche, qui fait briller le gaz. À quoi ça ressemble ? A ça :


M57 est une belle nébuleuse planétaire visible dans la constellation de la Lyre.


Cet objet est une NÉBULEUSE PLANÉTAIRE. C'est un drôle de nom, et comme tant d'autres noms en astronomie, il s’agit du nom que l’on a donné lorsque l’on a découvert ces objets pour la première fois. Autrement dit, une nébuleuse planétaire n’a en fait pas grand chose à voir avec les planètes ! C’est l'astronome William Herschel (1738-1822) - le même qui a découvert la lumière infrarouge et la planète Uranus - qui leur a donné ce nom, car ces astres apparaissaient comme de petits disques verts à travers son oculaire.


La première nébuleuse planétaire à être découverte en tant que telle, a été réalisée en 1764 par l'astronome français Charles Messier, qui a passé des années à scruter le ciel à la recherche de comètes. Il n'arrêtait pas de voir des taches floues qu'il prenait pour des comètes, il a donc décidé d'en faire un catalogue, une sorte de liste « d’objets à éviter ». Cette liste constitue aujourd’hui l’ensemble des objets les plus faciles à observer pour les astronomes amateurs, car ironiquement, elle contient les plus beaux et les plus brillants objets visibles au télescope. Parmi eux se trouve M27 (le 27e objet de la liste de Messier, également connu sous le nom de nébuleuse Dumbbell) l'une des plus grandes nébuleuses planétaires du ciel, visible en été dans la constellation du Petit Renard. Les nébuleuses planétaires ne sont pas toujours faciles à voir dans un télescope, car ce sont des objets de petite taille et peu lumineux. Mais en photographie, avec de longs temps de pose, elles dévoilent toutes leur beauté.


Pendant longtemps, on pensait avoir compris ces objets. Quand une étoile devient une géante rouge, elle expulse ses couches externes, pour former une bulle de gaz autour de l'étoile mourante. De nombreuses nébuleuses planétaires sont rondes et ressemblent à des bulles de savon, à peu près ce à quoi vous vous attendez lorsque vous regardez une coquille de gaz en expansion. Mais l'avènement des détecteurs numériques a révélé la grande diversité de ces objets. Certains sont allongés. D’autres ont des motifs en spirale. Certaines ont des jets qui jaillissent de chaque côté. Certaines ont des vrilles délicates qui s'en échappent. En pratique, seule une poignée des centaines de nébuleuses planétaires connues sont réellement circulaires ! Si le vent d'une étoile souffle dans une sphère, comment ces nébuleuses peuvent-elles prendre toutes ces formes fantastiques ? Il s'avère que la situation réelle est plus compliquée qu’on ne le pensé.


Quand une étoile devient une géante rouge, elle tourne lentement sur elle-même, et souffle un vent stellaire dense mais lent. Au fur et à mesure que le cœur est mis à nu, un autre vent se déclenche, plus rapide et moins dense. Dans la plupart des cas, les deux vents se rencontrent, soufflent vers l'extérieur dans toutes les directions, pour former une sphère de gaz. Mais certaines étoiles sont binaires : deux étoiles orbitent très près l'une autour de l'autre. Si l'étoile mourante a un compagnon, sa compagne façonnera le vent stellaire de l’étoile mourante, l’orientant davantage dans le plan des orbites des étoiles à cause de la force centrifuge. La forme générale du gaz en expansion est aplatie. Lorsque le vent rapide se déclenche, il heurte cette sphère de gaz dans le plan orbital et ralentit. Comme il y a moins de matière dans la direction polaire, c'est plus facile pour le vent de s'étendre dans cette direction. Il forme alors d'énormes lobes de matière qui s'étendent sur des milliards de kilomètres. C'est une forme très courante pour les nébuleuses planétaires. Mais pour expliquer les formes que nous voyons, les deux étoiles devraient orbiter à des distances très proches l’une de l'autre. La plupart des binaires ne sont pas si serrées. Alors qu'est-ce qui peut causer ces formes ?


NGC 5189 est une nébuleuse planétaire atypique. Sa structure double bipolaire ou quadrupolaire pourrait s'expliquer par la présence d'une deuxième étoile en orbite autour de l'étoile centrale agonisante. Mais pour le moment, cette seconde étoile n’a toujours pas été détectée.


Tout comme notre Soleil, certaines étoiles ont des planètes autour d’elles. Lorsque l’étoile devient une géante rouge, elle absorbe les planètes. Mais il faut plusieurs millions d'années pour que les planètes soient vaporisées. Et pendant tout ce temps, elles restent en orbite à l'intérieur de l'étoile, se déplaçant plus vite que la rotation de l'étoile sur elle-même. Les planètes à l'intérieur de l'étoile font tourner le gaz toujours plus vite, un peu comme un batteur pour monter des blancs en neige. Ce qui explique les formes de certaines nébuleuses planétaires. Lorsque les premières exoplanètes ont été trouvées, au milieu des années 90, les astronomes ont découvert que les planètes massives en orbite très près de leurs étoiles, étaient courantes. Ce qui venait confirmer ce scénario.


Une nébuleuse planétaire est éclairée par la naine blanche centrale, qui chauffe le gaz. La plupart du gaz est de l'hydrogène, qui renvoie une couleur rouge. Cependant, une grande partie du gaz est de l'oxygène. Il n'y a pas autant d'oxygène que d'hydrogène, mais à quantité équivalente, l’oxygène est plus lumineux que l'hydrogène. L’oxygène renvoie une couleur verte, donnant aux planétaires leur teinte caractéristique quand on les voit au télescope. D'autres couleurs peuvent également être observées. L'azote et le soufre brillent en rouge et l'oxygène peut émettre également du bleu. Toutes ces couleurs font la beauté de ces magnifiques objets.


Mais au-delà de la beauté de ces images, la structure, la couleur et la forme d'une nébuleuse planétaire nous parlent de la vie de l'étoile qui l'a formée. Notez bien que le gaz d’une nébuleuse planétaire est toujours en expansion, se déplaçant vers l'extérieur à partir de l’étoile centrale qui l’a éjecté. Finalement le gaz se dilate tellement qu'il s'amincit, et cesse de briller. Cela dure quelques milliers d'années, ce qui est très court sur les 10 milliards d’années de vie d’une étoile. C'est pourquoi nous ne voyons pas beaucoup de nébuleuses planétaires, bien qu'il y existe des milliards d'étoiles dans la galaxie qui meurent de cette façon.


Et qu'en est-il du Soleil ? Finira-t-il en nébuleuse planétaire ? Probablement pas. Lorsque le Soleil deviendra une naine blanche, il n’aura probablement pas assez d’énergie pour faire briller le gaz environnant, contrairement aux étoiles plus massives et plus chaudes que lui. Quand notre Soleil mourra, il s’éteindra tranquillement sans faire beaucoup d’étincelles. Cependant, les étoiles très massives, dont la masse dépasse au moins 8 fois la masse du Soleil, ces étoiles-là finissent en fanfare. Elles explosent. Mais ça, ce sera pour la semaine prochaine.


A RETENIR :

  • Lorsque les étoiles de faible masse meurent, elles forment des naines blanches. Ces dernières sont très chaudes, très denses et ont à peu près la taille de la Terre.

  • Elles peuvent aussi former des nébuleuses planétaires. Des objets aux formes complexes, créés lorsque le vent soufflé par les étoiles mourantes est chauffé par la naine blanche centrale. Leur durée de vie n’est que de quelques milliers d’années.

  • Le Soleil ne finira probablement pas en nébuleuse planétaire car il n’est pas assez massif.

 

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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