Les étoiles et la matière qui nous entoure , par André Brahic – DNU#2

On continue notre rentrée spécial espace ! Le prochain épisode de la saga Ariane de Damien arrive très bientôt, quant à moi je continue la série de billets consacrée à l’état des lieux de l’astrophysique par André Brahic !

Plusieurs choses à signaler tout d’abord : la fin de mission pour Rosetta, la sonde spatiale de l’ESA, l’Agence Spatiale Européenne, qui a rejoint la comète Tchoury ! Les missions spatiales ont une durée limitée (bien que parfois prolongée, comme ce fut le cas pour Cassini) pour pouvoir redistribuer le budget et donner leurs chances à d’autres missions. Pour Rosetta, c’était vendredi 30 septembre dernier ! La sonde s’est donc posée sur la comète, en prenant des mesures jusqu’au bout. Ce n’est que le début des découvertes faites lors de cette mission, puisqu’une quantité gigantesque de données reste à traiter et analyser ! Rendez-vous compte, on a réussi à poser un engin sur une comète en mouvement, à 150 millions de kilomètres de la Terre !

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André Brahic devant une photo de Saturne prise par la sonde Cassini, en 2009. AFP.

 

Autre chose concernant le blog : nous sommes désormais membres du Café des sciences ! Si vous ne connaissez pas, vous pouvez aller voir leur site. Il s’agit d’un regroupement de blogueurs qui font de la vulgarisation scientifique. Nous avons postulé cet été, et à notre grande joie nous avons été acceptés comme membres du café. Nous faisons désormais partie d’une véritable communauté de vulgarisateurs, dont beaucoup nous ont inspiré pour ce blog. Nous suivions des blogs du café bien avant de décider de commencer le nôtre, donc allez y jeter un coup d’œil !

Si vous êtes nouveau sur le blog, bienvenue ! N’hésitez pas à poser des questions ou à écrire des remarques dans les commentaires. Et partagez le blog autour de vous, ce serait sympa ! 🙂

Pour couronner le tout on vient de dépasser les 100 mentions j’aime sur notre page Facebook. Ce n’est peut-être pas grand-chose mais c’est déjà une étape !

Previously, on Watts Up Science

Mais revenons à nos moutons ! Dans l’épisode précédent, nous en étions restés à la formation de l’univers : l’univers est en expansion, et lorsque « tout » a « commencé » la matière était très dense et très concentrée dans un petit volume, mais en réalité aucune théorie ne peut encore décrire le comportement de l’univers dans ces conditions. Deux problèmes avaient été soulevés : celui du « début » (aucun indice n’est livré aux physiciens sur ce qui s’est passé AVANT la libération du rayonnement, donc rien n’indique que le Big Bang est le début absolu), et celui de la « matière » (99% de la matière qui compose l’univers se trouve sous une forme inconnue à ce jour). Il y a encore du travail !

Laissons la parole à André Brahic pour découvrir d’où viennent les étoiles.

 

Qu’est-ce qu’une étoile ?

Quelle est l’origine des étoiles ? Comment se forment-elles ? Se poser cette question revient à se demander notre origine à nous, car ce sont les étoiles qui forment les atomes, la matière qui nous compose. D’une certaine manière nous sommes les enfants des étoiles.

Qu’est-ce qu’une étoile ? Pendant des millénaires, les hommes ont ignoré la nature des étoiles. Les hommes ont adoré le Soleil : les Incas, les Mayas, beaucoup de civilisations ont traité le Soleil comme un dieu, ils avaient compris que le Soleil était une source de lumière, de chaleur, et ont mis très longtemps à comprendre que c’était aussi une source d’attraction, on l’a compris après Newton seulement. Mais quelle est la nature du Soleil ? D’où vient son énergie ? Savez-vous qu’on a compris d’où venait l’énergie du Soleil seulement après 1945 ? C’est très récent.

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Une image du Soleil, par le Solar Dynamics Observatory, datant du 24 octobre 2014. NASA/SDO.

Une étoile, c’est une boule de gaz, composée pour l’essentiel d’hydrogène et d’hélium (99%), et de quelques atomes un petit peu plus lourds. Or une boule de gaz, tenue par sa seule gravitation, plus on s’y enfonce, plus la température, la pression et la densité augmentent. En son centre, on atteint une température de l’ordre de plusieurs millions de degrés, des pressions de l’ordre de centaines de millions d’atmosphères, et des densités colossales.

Comment se forme une étoile ? Ce qui détermine le devenir d’un corps, c’est sa masse. On ne devient étoile que si à un moment donné on a une masse qui est comprise entre un dixième de la masse du Soleil et cent fois la masse du Soleil. En effet, pour qu’une étoile fonctionne, il faut qu’il y ait des réactions thermonucléaires au centre. Et pour que la réaction thermonucléaire fonctionne, il faut atteindre au centre une pression et une température suffisantes. Si la masse est trop faible, on n’atteint jamais ce régime de pression et de température extrêmes, et si la masse est trop grande, la quantité d’énergie est tellement grande que l’objet est instable. Pour devenir une étoile, il faut donc « naître » dans un certain domaine de masse.

Ce sont Albert Einstein (1915), Arthur Eddington (1920), Jean Perrin (1930), et Hans Bethe (années 40) qui ont compris cela. Albert Einstein livre la théorie de la relativité générale, expliquant que matière et énergie sont une seule et même chose. Arthur Eddington, astrophysicien anglais, écrit les équations de la structure du Soleil, qui permettent de comprendre la variation de la température, de la densité, de la pression à l’intérieur. Jean Perrin, physicien français, comprend que les réactions thermonucléaires peuvent fournir de l’énergie. Hans Bethe, physicien allemand, étudie l’équation qui transforme l’hydrogène en hélium. On comprend ainsi que les réactions thermonucléaires sont la source d’énergie du Soleil.

Within the swaddling dust of the Serpens Cloud Core, astronomers are studying one of the youngest collections of stars ever seen in our galaxy. This infrared image uses data from the warm phase of NASAs Spitzer Space Telescope, letting us peer into the cl
Un nuage d’étoiles. NASA/JPL-Caltech.

 

La naissance des étoiles… et la formation de la matière

Dans les domaines de masse qui nous concernent, il y a trois types de corps : les planètes, les naines brunes – qui sont des corps intermédiaires entre les planètes et les étoiles et au sein desquelles il n’y a pas de réactions thermonucléaires, et les étoiles. Et à notre époque, on peut désormais assister en direct à la naissance des étoiles. Pour former une étoile, il faut du matériau interstellaire (de la matière très peu dense). Si à un moment donné il y a un surcroît de densité, ce grumeau va attirer tout ce qui est autour, et la matière va s’effondrer pour former une étoile.

Comment observer cela ? On a trouvé cette matière entre les étoiles seulement au début du 20ème siècle, parce qu’elle est très peu dense, et on observe une sorte de cycle de la matière : la matière interstellaire forme des étoiles qui elles-mêmes meurent en redonnant du matériau à l’extérieur, lequel va former une nouvelle génération d’étoiles. A chaque fois qu’une étoile est fabriquée, elle fabrique aussi quelques atomes, le milieu est donc enrichi à chaque fois en atomes de plus en plus lourds.

On a trouvé trois phénomènes majeurs dans la naissance des étoiles. Dans les années 1990, on a assisté en direct à la naissance des étoiles grâce au rayonnement infrarouge. Parce qu’en lumière visible, les étoiles ont des cocons, avec de la poussière. Mais le rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde peut passer à travers. Et on a pu observer que lors de la naissance d’une étoile il y a des disques qui se manifestent dans le plan de l’équateur, et des jets de matière qui sont expulsés, essentiellement dans la région polaire. On comprend alors que la naissance des étoiles est difficile, douloureuse, violente. Ces jets de matière expliquent des phénomènes qu’on avait observés au siècle dernier. Et on peut se demander alors si ces disques de matière constituent la matière permettant de former les planètes. La question n’est pas encore résolue mais on se dit qu’il y a là un endroit favorable pour former des planètes. En d’autres termes la naissance des étoiles s’accompagne de la formation de jets et de disques.

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Vue d’artiste d’un disque protoplanétaire et de la naissance d’une étoile. ESO.

Depuis le début de l’année 2013, on a découvert que la matière interstellaire se répartit en filaments (qui n’ont rien à voir avec les filaments qui forment les galaxies, les filaments de matière interstellaire ont une échelle beaucoup plus petite). A l’endroit où deux filaments se croisent, il y a un excès de densité. Or qui dit excès de densité dit que la gravitation est forte, dit donc que la chute est accélérée, et c’est là que se forment les étoiles.

Il y a deux types d’étoiles. Les grosses (tellement grosses qu’elles émettent beaucoup d’énergie), très actives, qui fabriquent des atomes en leur centre. La température est très élevée donc l’hydrogène se transforme en hélium. Quand l’hydrogène est brûlé l’hélium est compressé, condensé, et se transforme en carbone. Et puis ensuite on fait de l’oxygène, et on fait ainsi tous les atomes du tableau de Mendeleïev, jusqu’au fer. Mais pas au-delà, car faire des atomes de masse plus élevée demanderait d’apporter de l’énergie, c’est-à-dire plutôt que de fournir l’énergie il faudrait en apporter. Puis brutalement, quand une étoile a fabriqué du fer, elle s’effondre sur elle-même et ce faisant la matière rebondit et l’étoile explose. Ces étoiles qui explosent, on les appelle les supernovæ. Les atomes qui ont été fabriqués à l’intérieur sont alors projetés à l’extérieur. Et c’est comme ça que nous naissons, tous les atomes qui constituent notre corps (magnésium, calcium, fer, etc.) ont un jour été fabriqués dans une étoile (qui n’est pas le Soleil bien entendu). L’étoile a alors explosé, communiquant à l’extérieur ses différents éléments chimiques, ses différents atomes. Et ces atomes ont vécu leur vie. L’atome qui compose vos cheveux a un jour été sur la peau d’un dinosaure, l’atome au bout de votre nez a un jour été au sommet d’une montagne.

La mort des étoiles et le cycle de la matière

Les étoiles les plus massives ne vivent donc pas longtemps. Seulement quelques dizaines de millions d’années. Et puis il existe les petites étoiles, qui vivent très longtemps et nous apportent de la chaleur pendant des milliards d’années. Comme le Soleil. Les étoiles, quelles qu’elles soient, ont trois manières de finir leur vie.

– Le Soleil par exemple va d’abord grossir, devenir une géante rouge, puis se transformer en naine blanche, c’est-à-dire un objet qui a la masse du Soleil et la taille de la Terre.

– Une étoile beaucoup plus massive, finira ou bien sous la forme d’une étoile à neutrons ou bien sous forme de trou noir, c’est-à-dire un objet qui a la masse du Soleil (ou plutôt trois-quatre fois la masse du Soleil) et la taille de l’Île de la Cité à Paris.

 

Le plus grand cycle qui existe dans l’univers c’est le cycle de la matière. Une étoile en explosion répartit sa matière aux alentours et forme de la matière interstellaire, très peu dense puisque dans un centimètre cube de matière (l’équivalent d’une cuillère à café) il y a un ou deux atomes seulement, tandis que dans un centimètre cube de l’air que vous respirez en ce moment il y a 1019 atomes. On a trouvé plus de 150 atomes dans cette matière interstellaire entre les étoiles. Des molécules aussi, comme de l’eau, du propane, du butane, de l’alcool éthylique, etc. Puis cette matière se condense en une étoile, qui elle-même disparait en redonnant de la matière.

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La Nébuleuse d’Orion, « nurserie stellaire ». NASA/Hubble.

Dans l’histoire de l’univers, à chaque fois qu’il y a un nouveau cycle d’étoiles, on apporte un peu plus d’éléments plus lourds. Au début de l’histoire de l’univers il n’y avait que de l’hydrogène pratiquement, parce que c’est l’atome le plus simple, uniquement composé d’un proton et d’un électron autour. Il y a donc trois manières de former les éléments qui constituent notre monde : soit au tout début de l’univers, il y a 13,82 milliards d’années (hydrogène, hélium) ; soit  dans les étoiles (oxygène, azote, chlore, aluminium, jusqu’au fer – c’est ce qu’on appelle la formation stellaire) ; soit au moment de l’explosion des étoiles : quand une étoile explose, elle envoie ce qu’on appelle un flux de neutrons, il y a un bombardement énorme, et c’est là que les atomes très lourds sont formés (or, platine, uranium). Ainsi, le temps s’écoulant, l’univers va fabriquer des éléments de plus en plus lourds.

Au passage, on peut s’interroger sur la notion de temps. Le temps de la relativité générale n’a rien à voir avec le temps de la mécanique quantique. Le temps que nous vivons nous est-il le même que le temps des horloges ? Qu’est-ce que le temps ? Est-il indépendant ou lié à l’espace ? Y a-t-il eu une naissance du temps ? En sciences, à chaque fois qu’on se pose une question, dix nouvelles questions naissent. C’est une aventure qui n’a pas de fin, et en même temps c’est la culture qui progresse.

 

Tous les crédits reviennent à André Brahic et France Culture.

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