Mise à jour 01 juin 2013

Mort des étoiles

Image : Matière éjectée lors d'une supernovae qui a eu lieu en 1054 et qui avait été notée par les astronomes Chinois. Cette image (en haut) est une superposition d'une image en rayon X (représentée en bleu) et d'une image dans le visible (en rouge).
La taille de l'anneau est d'environ une année lumière. Crédit : NASA/CXC/ASU/J. Hester

Processus de vieillissement

Des nébuleuses qui montrent la mort d'une étoile sont courantes, si bien que les astronomes ont pu étudier de près les différentes étapes, de ce scénario bien compris.
Notre Soleil est une étoile, ni très grande ni très petite. Il brille et nous chauffe grâce à l'énergie libérée par une réaction thermonucléaire qui transforme son hydrogène en hélium.
Chaque seconde, notre Soleil convertit 4,26 millions de tonnes d'hydrogène en énergie. À ce rythme là, les scientifiques estiment qu'il reste environ 5 milliards d'années à notre étoile pour bruler toutes ses réserves en hydrogène.
En fonction de leur taille, les étoiles vont donc mourir de différentes façons. C'est donc dans 5 milliards d'années que notre Soleil commencera à manquer d'hydrogène. A cette échéance son cœur très alourdi par l'hélium produit au cours des milliards d'années précédentes, commence à se contracter, ce qui augmente sa température interne et a pour conséquence de relancer partiellement la fusion de l'hydrogène près du cœur.
L'enveloppe de l'étoile se dilate alors sous l'effet de la chaleur et le diamètre de l'astre atteint cent fois son diamètre actuel.
Dans le cœur, la température devient alors suffisamment élevée pour que l'hélium fusionne en carbone. Dans ces conditions, l'allumage de la matière est explosif : on parle de 'flash de l'hélium'. Puis, le carbone se transforme en azote, l'azote en oxygène.
Le volume de l'étoile augmente encore, entrainant une baisse de température à sa surface. L'étoile ressemble alors à une énorme braise incandescente dont la couleur tend vers le rouge. C'est devenue une géante rouge.
L'astre agonisant connait d'intenses vents stellaires et ces vents repoussent, la matière des couches externes sous l'effet de la pression de radiation exercée par la lumière. La fusion de l'hélium s'épuise en 10 millions d'années à peine, laissant un cœur riche en carbone et oxygène, l'azote ayant presque entièrement disparu.
Les couches résiduelles d'hydrogène et d'hélium se consument : la couche d'hélium libère de l'énergie en s'allumant ce qui repousse encore la couche d'hydrogène. Lorsque le choc est absorbé, la matière attirée par la gravitation, retombe alors sur les couches d'hélium. Celui-ci se comprime et s'échauffe avant d'absorber un autre choc et de recommencer le cycle.
La géante au bout de 500 millions d'années, arrive alors à son terme. L'enveloppe de l'étoile, très dilatée et structurée en pelures d'oignions, se désagrège rapidement, mettant à nu les couches internes chaudes.
Une nébuleuse planétaire se dessine en couches de gaz en expansion laissant apparaitre à l'intérieur une naine blanche d'une densité 1 million de fois supérieure à celle de l'étoile de départ.

10 milliard d'années plus tard, cette naine blanche refroidi, se transforme en une naine noire, froide et définitivement éteinte.
Les étoiles les plus lourdes fabriquent elles, des produits chimiques plus massifs comme le fer. Lorsqu'elles grossissent, elles épuisent les gaz contenus dans leur noyau. Ce dernier reste chaud alors que les couches supérieures se refroidissent, ce qui provoque une explosion des couches supérieures et leur projection dans l'espace interstellaire.
Ce phénomène a déjà été observé depuis la Terre, il y a environ 1000 ans et la lumière émise par l'étoile fut visible pendant plusieurs jours. Bien que les couches supérieures aient explosé, le noyau lui, est plus dense que jamais. Selon sa masse, il deviendra une étoile à neutron (pulsar) ou un trou noir.
Les premières sont parfois si petites et denses, qu'elles passent inaperçues. Seul leur jet de gaz, émis par pulsion, est repérable par les radiotélescopes.
Quant aux trous noirs, les observations qu'on a pu faire de ce phénomène nous révèlent qu'ils auraient une si grande force d'attraction, que rien ne peut à proximité, leur résister, même pas leur propre lumière, ils sont donc invisible.
Cependant, les astronomes peuvent détecter leur présence par l'agitation qu'ils causent autour d'eux.

Image : Le Télescope spatial Hubble a photographié les restes rayonnants d'une étoile, dans la nébuleuse planétaire, cataloguée NGC 6369, avec en son centre, la faible étoile naine mourante. Cette étoile rayonne fortement dans les longueurs d'ondes ultraviolettes et participe à l'expansion de la nébuleuse. L'anneau principal de la nébuleuse mesure environ une année-lumière de diamètre. L'oxygène, l'hydrogène et l'azote ionisés sont colorés respectivement en bleu, vert et rouge. Cette nébuleuse, appelée Nébuleuse du Petit fantôme, est située à environ 2000 années-lumière de notre système solaire. La Nébuleuse du Petit fantôme laisse entrevoir le destin de notre Soleil, qui devrait produire sa propre nébuleuse planétaire dans 5 milliards d'années environ.
Crédits : NASA

La mort de NGC 2440

Le 7 février 2007, Hubble a photographié NGC 2440, grâce à son instrument WFPC 2 (Wide Field Planetary Camera). Les fausses couleurs montrent les molécules du nuage de gaz et de poussières. L'hydrogène est confondu avec l'azote dans le même rouge, l'hélium en bleu et l'oxygène en bleu-vert. La matière expulsée est rendue lumineuse par l'émission ultraviolette de ce qui reste de l'étoile centrale. Très dense, celle-ci est devenue une naine blanche. Celle de NGC 2440 atteint une température de 200 000 kelvins Le kelvin (symbole K, du nom de William Thomson, Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. La température de 0 kelvin (K) est égale à -273,15°C et correspond au zéro absolu, le kelvin n'est jamais précédé du mot « degré » ni du symbole « ° », contrairement aux degrés Celsius ou Fahrenheit. Les températures en kelvins ne sont jamais négatives, une variation de température de 1 K est équivalente à une variation de 1°C.
Conversion vers les autres unités :
K = °C + 273,15
°C = K - 273,15
K = (°F + 459,67) / 1,8
°F = K × 1,8 − 459,67.
Cette superbe image montre aussi l'irrégularité du nuage ce qui suggère des explosions multiples.
NGC 2440 est une nébuleuse planétaire, c'est-à-dire une enveloppe gazeuse violemment éjectée par une étoile en fin de vie, qui a explosé quand, faute de carburant, les réactions nucléaires n'ont plus été suffisantes pour contenir la force de la gravitation.
La précision de l'image prise par Hubble montre toute la complexité interne du nuage, qui évoque une structure chaotique, avec des zones très chargées en matière et d'autres presque vides. Cette hétérogénéité suggère que l'étoile n'a pas explosé en une seule fois, mais que l'astre agonisant a subi plusieurs cycles de contractions et d'explosions.

A chaque soubresaut, une partie de sa matière s'est trouvée éjectée, mais dans une direction différente.
La poussière qui était présente autour de l'étoile a été soufflée et forme maintenant de longues trainées, coiffant la naine blanche centrale.

Image : L'image ci-contre est observée en fausses couleurs par l'instrument WFPC 2 de Hubble ; la nébuleuse NGC 2440 montre un nuage de gaz et de poussières qui s'étend sur une année-lumière.
Au centre, on repère la naine blanche, reste de l'étoile qui a explosé. Le nuage présente une structure chaotique et irrégulière, l'étoile a connu plusieurs explosions qui ont éjecté de la matière dans différentes directions en sculptant des colonnes de poussières.
La couleur rouge montre l'azote et l'hydrogène, le bleu l'hélium, le vert l'oxygène. Crédit : ESA/K. Noll (STScI).

Épilogue

Les étoiles massives ne peuvent engendrer directement la vie dans leur périphérie mais elles sont responsables de ses fondements les plus élémentaires.
Sans elles, ni le carbone, ni l'oxygène et les autres éléments plus lourds, n'auraient pu exister.
A partir des 76% d'hydrogène et des 24% d'hélium primitifs, ces étoiles ont ensemencé l'univers avec tous les autres éléments que nous connaissons.
C'est dans leurs apothéoses finales et par un brassage continuel de nébuleuses de plus en plus chargées en éléments lourds et complexes, que les étoiles actuelles de deuxième et troisième génération ont pu constituer des planètes solides où a apparu la vie.
Nous sommes donc des poussières d'étoiles, comme le dit Hubert Reeves. Il est troublant de constater que la nature cherche sans cesse la complexité dans l'évolution. Cette conscience qui nous habite, qui raisonne et réfléchit, n'est pas matérielle mais a pourtant besoin du substrat biologique et matériel de notre cerveau pour résonner.
D'ailleurs nous appartient-elle en propre ou traverse-t-elle toute chose ?
Est-elle le fondement ou le principe même de l'univers, son intention ?

Êtres inanimés auriez-vous donc une âme ?
Dans notre curiosité insatiable, nous cherchons à le savoir et nous voulons pour cela remonter le temps jusqu'au Big Bang, il y a 13,8 milliards d'années environ. La grande interrogation actuelle des scientifiques et des astrophysiciens est de savoir ce qu'il y avait avant. Devant cette singularité, cette fluctuation quantique où le temps s'arrête et les lois de la physique disparaissent, il est à peu près certain que nous n'aurons jamais d'autre réponse qu'une conjecture invérifiable.
Nous voyons donc que ces grandes questions scientifiques sont devenues philosophiques, voire métaphysiques, puisque les grandes questions philosophiques ou métaphysiques sont devenues maintenant scientifiques.