Les toiles

Les naines blanches

Quand tout le combustible nuclaire est consomm, une toile semblable au Soleil se contracte spontanment sous l'effet de la gravitation au point de se transformer en une petite sphre blanche de la dimension d'une plante (5000 50000 km de diamtre). Pousse par le rayonnement stellaire gnral, l'enveloppe extrieure du coeur de l'toile s'vapore dans l'espace, le plasma et les gaz neutres prenant la forme d'une nbuleuse plantaire. Messier 57, la clbre nbuleuse annulaire de la constellation de la Lyre est l'illustration typique de ce processus. La petite toile situe au centre de la nbuleuse est le coeur d'une ancienne toile gante qui a perdu son atmosphre que l'on dcouvre aujourd'hui sous la forme de cet anneau multicolore. Elle est devenue une toile naine blanche qui lentement se refroidit et disparatra totalement nos regard dans quelques milliards d'annes, ne laissant derrire elle qu'un halo nbuleux qui s'assombrira progressivement, seule trace rminiscente de son pass glorieux.

La nbuleuse plantaire de la Lyre

Nbuleuse de la Lyre.


Tel est l'avenir de notre Soleil et de la majorit des autres toiles. De la majorit d'entre elles, car mme les toiles plus massives que le Soleil - entre 6 et 10 Masse solaire - perdront la plus grande partie de leur atmosphre dans l'espace la fin de leur vie et deviendront des toiles naines sans avoir explos au pralable. Selon les calculs de l'astronome indien Subrahmanyan Chandrasekhar toutes les toiles naines ont une masse maximale d'environ 1.4 Masse solaire.

Si l'toile est plus massive (plus de 10 Masse solaire environ sur la Squence principale ou plus de 1.4 Masse solaire dans le noyau en fin de cycle), l'toile franchit la limite de Chandrasekhar : en vertu du principe d'incertitude et sous le poids engendr par la gravitation, les lectrons libres du noyau s'infiltrent parmi les cendres nuclaires et y dclenchent une raction de fusion qui conduira former un noyau d'O-Ne-Mg ou de fer. L'arrt brutal des ractions de nuclosynthses permet finalement aux lectrons libres de convertir les protons en neutrons et de transformer le corps cleste en toile neutrons, en pulsar ou en trou noir, des entits plus tonnantes encore[3].

Malgr la rigueur de cette volution, les astrophysiciens nous rappellent qu'il reste des incertitudes quant au nombre d'lectrons par baryon dans le noyau d'une telle toile ce qui peut rendre la solution de l'quation de Chandrasekhar plus instable. S'ajoute le fait que le profil de l'entropie et la pression coulombienne dans le noyau renormalisent certains facteurs, conduisant modifier la masse de Chandrasekhar, si bien qu'aujourd'hui encore la masse critique peut varier entre 1.2 Masse solaire et 2.0 Masse solaire.

Dans une toile naine, les ractions thermodynamiques sont remplaces par des phnomnes relativistes et quantiques. Autrement dit, dans ce type d'toiles les ractions chimiques sont interrompues, se sont des astres "froids" qu'il est possible de modliser sur base d'une temprature nulle.

En 1932 le physicien sovitique Lev Davidovitch Landau dmontra que dans une toile naine l'effondrement atomique tait arrt par les forces de rpulsions nuclaires. Resserrs jusqu' la dgnrescence, les atomes sont dtruits car les lectrons ont repris leur libert. Cette matire qui n'est ni un gaz ni un plasma offre une « pression de dgnrescence » ou « pression de Fermi » qui obit au principe d'exclusion de Pauli. Cette pression qui ne s'explique qu'en termes quantiques empche la force de la gravitation d'agir. Les nuclons sont comprims les uns sur les autres, la densit pouvant atteindre la folle valeur de 1000 tonnes par cm3, avec une moyenne d'un million de fois la densit de la Terre ! La valeur exacte est encore largement dbattue mais oscille entre 104 et 109 g/cm3 !

En raison de leur gravit de surface hors du commun qui peut atteindre 100000 fois celle de la Terre, les astrophysiciens pensent que la surface des toiles naines est galement trs particulire. Elle pourrait former une paisse crote de 50 km d'paisseur constitue en surface de matire ordinaire mais en profondeur d'un rseau cristallin d'atomes de carbone et d'oxygne, une structure trs trange qui rappelle... le diamant !

Constitue du coeur d'toiles gantes, la temprature centrale d'une toile naine demeure extrmement leve. Dpendant de l'agitation des noyaux elle peut atteindre 100 millions de degrs en dbut de cycle. En surface par contre la temprature avoisine en gnral les 10000 K mais peut occasionnellement tre dix fois suprieure. Les toiles naines se refroidissent rapidement, au moins en termes astronomiques, raison pour laquelle assez peu d'toiles naines ont t dcouvertes, tout au plus un millier d'objets.

Au dbut de leur vie les toiles naines brillent d'un clat bleu-blanc mais sans motion : ni la chaleur ni le froid ne les font ragir, que du contraire. Une toile naine n'a plus aucun moyen de conserver sa chaleur moins d'accrter la matire d'une toile proche. Ainsi si elle forme un couple avec une toile gante, celle-ci perdra une partie des couches suprieures de son atmosphre au profit de l'toile naine qui verra son atmosphre se remplir d'hydrogne. L'toile naine se transformera alors en une toile variable cataclysmique qui peut voluer en nova suite l'explosion de l'enveloppe d'hydrogne.

L'atmosphre d'une toile naine prend un aspect trs trange qui n'a plus rien voir avec une atmosphre ordinaire. Voyez plus tt. Si les lments les plus lourds comme le carbone sont clous sur la surface de l'toile en raison de la gravit, dans une toile naine de 10000 K les lments plus lgers ne peuvent pas non plus s'en chapper. Seul l'hydrogne ou l'hlium, les deux lments les plus lgers s'chappent dans l'atmosphre, ou ce qui convient d'appeler une atmosphre car tant donn la force de gravit qui y rgne son paisseur ne dpasse pas quelques centaines de mtres !

Mais grce un chantillonnage qui se complte chaque anne, si on suit les donnes thoriques on constate que toutes les toiles naines ayant une atmosphre d'hydrogne porte plus de 55000 K et rayonnant en ultraviolet prsentent une atmosphre qui s'opacifie en raison de la prsence d'lments lourds dans leur atmosphre. Leur opacit croit brutalement au niveau de 54000K qui pourrait correspondre une augmentation notable d'lments du groupe du fer.

D'autres toiles naines sont des sources de rayons-X peu pntrants et de rayonnement ultraviolet de trs forte nergie. Dans une toile naine ordinaire l'atmosphre relativement froide et si peu paisse qu'elle est a peu prs transparente aux rayons X. Mais exceptionnellement quelques rares naines-X telle HZ43 prsente une couronne qui irradie fortement en rayons-X car son atmosphre d'hydrogne et d'hlium est porte entre 1 et 10 millions de degrs. Grce cette opportunit les astrophysiciens peuvent tudier la structure de son atmosphre au moyen de satellites sensibles ce rayonnement tel ROSAT ou Chandra.

Les toiles naines ne prsentent pas toutes la mme composition chimique et elles ne suivent pas toutes la mme volution. Les astronomes les ont classes en deux groupes qui sont eux-mmes subdiviss en fonction de la temprature. La lettre D fait rfrence leur nom anglais (Dwarf) tandis que la lettre suivante fait rfrence leur classe spectrale :
  • Le type DA dont l'atmosphre est riche en hydrogne.
  • Le type DO et DB dont l'atmosphre est riche en hlium.
Parmi les rares toiles naines que l'on a identifi certaines prsentent des instabilits certains seuils de temprature qui provoquent une variation de leur clat. Elles deviennent des toiles naines "vibrantes" dont la priode des pulsations oscille entre 5 et 15 minutes. Il s'agit des toiles PG1159, nom donn la premire reprsentante de cette catgorie, PG1159-053. Cette famille est divise en 3 types :
  • Le type DOV dont la temprature superficielle est suprieure 120000 K.
  • Le type DBV dont la temprature superficielle est comprise entre 24000 et 29000 K.
  • Le type DAV dont la temprature superficielle oscille entre 11400 et 13000 K.
Le record est dtenu par l'toile naine situe au centre de la nbuleuse plantaire NGC 2440 de la Poupe avec une temprature superficielle (de Zanstra) de 350000 K, 60 fois celle du Soleil ! L'toile est stable. Cette stabilit signifie que cette toile est morte.

La nbuleuse NGC 2440 contient en son centre la naine blanche ayant la temprature de surface la plus importante connue  ce jour.

La nbuleuse NGC 2440 contient en son centre la naine blanche ayant la temprature de surface la plus importante connue ce jour.


Enfin l'toile BD+16?516 forme un systme binaire clipse avec une toile naine beaucoup plus froide de type spectral K0V. L'toile naine blanche prsente une masse de 0.6 Masse solaire et un diamtre de 16000 km seulement. On en dduit que sa densit vaut 650000 fois celle de l'eau. Les deux toiles dont le centre de masse n'est spar que de 2092000 km tournent autour de leur centre de gravit commun en 12h30m. Mais il est trange de constater que c'est l'toile naine qui est plus petite qui excite et rchauffe l'atmosphre de l'toile froide de type K.

On constate devant ces "anomalies" que l'astrophysique stellaire ne peut pas encore prdire avec rigueur l'volution de toutes ces toiles. Nous savons par exemple que les toiles naines blanches de type DAV se refroidissent plus rapidement que la thorie ne le prvoit. Les toiles naines blanches de type DOV par contre suivent fidlement les modles thoriques mais devraient dissiper un norme flux de neutrinos pour se refroidir. Etant donn qu'il existe une transition entre les toiles naines riches en lectrons, ayant entre 0.45 et 0.5 lectrons/baryon et les toiles neutrons riches en neutrons constitues d'environ 0.05 lectrons/baryon, on peut considrer que ces deux types d'toiles sont rgis par la mme dynamique de base et obissent aux mmes processus physiques.

Ces dcouvertes tonnantes ont ouvert une nouvelle voie dans le ddale de l'astronomie dont on ignorait encore tout la fin des annes 1970. L'avenir reste passionnant.

Citons quelques naines blanches clbres : l'toile Van Maanen dans les Poissons, Sirius B, Procyon B, 40 Eridani B, ZZ Ceti.

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