astronomie

     La Lune est l’unique satellite de la Terre : situé à environ 380 000 km d’elle, c’est l’astre le plus proche de nous. Observé par l’homme depuis la nuit des temps, c’est aussi, paradoxalement, un objet assez mal connu puisque, comme on le verra, son origine est encore du domaine de l’hypothétique.

   Des satellites, il en existe beaucoup dans le système solaire (par exemple, Jupiter en possède 63 et Saturne 60) mais la Lune est le cinquième satellite en taille du système solaire et sa particularité est d’orbiter autour d’une planète tellurique (rocheuse) la Terre, alors que les autres planètes du même type n’en possèdent pas (ou de minuscules, commeMars). Ce grand satellite a donc une influence importante sur notre planète et on peut même penser que, sans elle, la vie n’aurait pas pu y apparaître… (Voir le sujet : Vie extraterrestre 2). Comment se fait-il donc que l’on en sache si peu sur sa formation ?

Quelques vérités sur la Lune

     La lune nous présente toujours une même face : ceci est dû au fait que sa période orbitale (le temps mis pour effectuer une orbite autour de la Terre) est identique à sa période de rotation sur elle-même. Ce n’est pas un hasard mais la conséquence au fil du temps de l’influence de la Terre sur son satellite ; en effet, les frottements induits par les marées terrestres ont progressivement ralenti la Lune jusqu’à cet équilibre. Dans le même ordre d’idées, les marées terrestres, en poursuivant le ralentissement lunaire, entraînent l’éloignement de notre satellite d’environ 3 à 4 cm par an (dans les temps anciens, la Lune se trouvait trois fois plus près d’une Terre qui tournait sur elle-même en quatre heures). On le voit donc, l’intrication entre les deux planètes est importante au point que, sans la présence de la Lune, la Terre serait fort différente… et peut-être même, comme on l’a déjà mentionné, inhabitée.

     Contrairement à que qu’on a longtemps cru, on sait aujourd’hui que la Lune est un corps différencié, c'est-à-dire que ses structures, notamment en profondeur, ne sont pas homogènes : elle possède vraisemblablement un petit noyau central, entouré d’un manteau intermédiaire et d’une croûte lunaire (plus épaisse sur la face cachée). Cette structuration ressemble fortement à celle de la Terre, à la différence toutefois de l’absence d’une activité profonde, la Lune s’étant effectivement complètement refroidie.

      La surface lunaire est, quant à elle, bien particulière : composée d’un grand nombre d’éléments consécutifs à la formation de l’astre, elle est recouverte de ce que l’on appelle le régolithe, à savoir une couche poussiéreuse variant de 3 à 20 m selon les endroits (les vallées appelées « mers » ou les hauts plateaux au régolithe plus épais). S’ajoutent à cet aspect les nombreux impacts météoritiques (puisque la Lune n’a pas d’atmosphère comparable à notre planète) qui ont profondément modifié sa surface au point que les plus violents d’entre eux ont fait apparaître par endroits le manteau ainsi mis à nu.

Origine de la Lune : la théorie initiale

     Originellement, on a estimé que la Lune se serait formée environ 50 millions d’années après la naissance du Soleil. On a alors évoqué un choc gigantesque entre la Terre encore en

fusion et une planète de la taille de Mars. Les multiples débris de cette planète en se mêlant à une partie du manteau terrestre arraché par l’impact auraient alors formé un halo de poussières qui, en s’effondrant sur lui-même, aurait conduit à la formation de notre satellite : c’est la théorie de l’impact  géant proposé par les chercheurs de Harvard dès les années 1950. Une condition est toutefois indispensable pour accréditer ce modèle : l’absence d’eau. En pareil cas, en effet, la température de formation de la Lune aurait été bien plus importante que celle de la Terre ce qui exclut donc totalement chez elle la présence d’eau. Et c’est bien ce que rapportèrent les premières observations des échantillons des missions Apollo (1975) concluant à une Lune complètement déshydratée.

     Toutefois, en 2008, une étude plus approfondie des dits-échantillons découvre de l’eau dans ces roches lunaires vieilles de 3 milliards d’années. Peu, il est vrai mais de l’eau quand même. On s’étonne donc fortement ! On refait les analyses et, en 2011, en étudiant finement des roches lunaires encore plus anciennes (du magma primitif), la découverte est confirmée. Il y a de l’eau sur la Lune… Cette fois, c’est sûr, le scénario de l’impact primitif ne tient plus la route. Problème.

Une découverte qui change tout

     Il y a de l’eau sur la Lune : Tintin et le capitaine Haddock avaient donc raison (relire à ce propos l’album d’Hergé, « on a marché sur la Lune »).

      Comment expliquer cette étonnante présence ?

     Comment expliquer également un autre élément troublant : les différentes sortes d’oxygène (isotopes) sont identiques sur la Terre et sur son satellite alors que les compositions isotopiques de l’oxygène des différentes planètes du système solaire sont toutes différentes les unes des autres. De là à imaginer que Terre et Lune ont une origine commune, il n’y a qu’un pas… vite franchi par certains scénarios de formation de la Lune. Quels sont donc ces scénarios ? Outre la théorie de l’impact géant (dont on connait à présent les limites), quatre explications sont avancées :

. l’hypothèse du corps étranger : la Lune serait un astre formé dans une autre partie du système solaire mais qui se serait approché de la Terre jusqu’à entrer dans son champ gravitationnel et être capturé et satellisé par elle. Invraisemblable ? Pas tant que ça puisqu’on sait avec une quasi-certitude que c’est le sort qui fut réservé à Titan, le plus important en taille des satellites de Saturne. Reste néanmoins à comprendre la trajectoire et la vitesse plutôt fantaisistes de la planète en question. De plus, l’orbite lunaire actuelle ne peut être expliquée par ce modèle (elle devrait être plus allongée) de même que les similitudes de composition des deux astres…

. l’hypothèse de la fission : ce scénario fait appel à une Terre des débuts qui, en raison d’une importante force centrifuge engendrée par sa rotation, aurait « perdu » une partie de son manteau. L’énorme masse de matière ainsi libérée dans l’espace se serait alors mise en orbite autour de notre planète jusqu’à former la Lune actuelle. Cette hypothèse présente l’avantage d’expliquer les similitudes de composition entre la Terre et son satellite. Toutefois, là aussi il existe un problème : la vitesse de rotation initiale de la Terre aurait dû être dans ce modèle extraordinairement importante et, en dépit de l’ancienneté du phénomène, on devrait encore en voir les conséquences. Ce qui, à l’évidence, n’est pas le cas.

. l’hypothèse d’une naissance commune : ici, au moment de la formation de la Terre, on imagine qu’une partie du nuage qui gravite autour d’elle se serait agglomérée sous l’effet de sa propre pression, à peu près au moment où notre planète aurait atteint les 2/3 de sa taille finale. Une origine commune donc mais avec un hic : les deux astres devraient avoir une densité identique ce qui est loin d’être le cas. Du coup, même si ce scénario est celui de la formation de la plupart des satellites des planètes gazeuses géantes, il paraît assez difficile à défendre pour l’étrange couple Terre-Lune…

. l’hypothèse de l’échange après impact : dans ce scénario, tout commence comme dans celui de l’impact géant ; toutefois, on imagine que, après le fantastique choc avec une planète de la taille de Mars, un gigantesque nuage de poussières entoure le couple Terre-Lune. La Lune représenterait alors les restes encore constitués de la planète étrangère qui aurait pu échanger matière et eau avec notre planète. Là-aussi, toutefois, il persiste un problème : en pareil cas, la Lune aurait été considérablement ralentie par les poussières jusqu’à retomber sur la Terre…

     On le constate donc, aucun des scénarios évoqués ne convainc réellement.

L’apport des météorites

     On a dit que ce qui posait problème dans le scénario de l’impact initial était la présence d’eau incompatible avec la

chaleur dégagée par le choc. Et si cette eau provenait d’une autre source ? En effet, au début de leur formation et pendant environ 100 millions d’années, les deux astres ont été frappés par d’innombrables météorites provenant de la région située  entre Mars et Jupiter (où il en reste encore beaucoup). Ces météorites ont très bien pu amener l’eau en question puisqu’on sait qu’ils en sont fortement pourvus. Néanmoins, ici aussi, il existe une difficulté : pour posséder aujourd’hui autant d’eau, la Terre aurait dû être « bombardée » bien plus que la Lune… ce qui ne semble pas être le cas d’après les études menées sur le sujet.

     Reste la possibilité que les échantillons rapportés de notre satellite ne soient pas représentatifs de sa teneur réelle en eau mais, pour le moment, rien ne permet de l’affirmer.

Trop d’hypothèses trop dissemblables

     On le sait bien : dans le domaine scientifique, lorsque trop d’explications différentes sont avancées, c’est qu’on ne sait pas. Quelle que soit la bonne foi des uns et des autres, l’origine de la Lune reste donc un mystère. Il faudra probablement attendre de ramener bien plus d’échantillons de notre satellite pour en savoir plus. Ce qui, selon les meilleures estimations, devrait nous faire attendre jusqu’aux années 2020-2030…

     Il est toutefois intéressant de constater que, en dépit de la progression constante de nos découvertes, une partie du ciel si proche de nous recèle encore bien des mystères. On sait à peu près comment se sont formées les premières galaxies et les premières étoiles ; on découvre chaque jour de nouvelles planètes extrasolaires ; on comprend mieux l’écologie des quasars ou des étoiles à neutrons ; on sait parfaitement étudier le cycle de vie et de mort des étoiles, etc. Pourtant, on bute encore sur la formation d’un astre, la Lune, qui nous est si proche, astronomiquement parlant, un astre qui fait partie de notre imaginaire quotidien. Cela doit certainement nous conduire à garder beaucoup de modestie.

Sources

. fr.wikipedia.org/wiki/Lune

. revue Science & Vie, n° 1129, octobre 2011

. revue Ciel et espace

Images

1. la Lune (sources : artic.ac-besancon.fr)

2. Phobos, satellite de Mars (sources : mysteredumonde.com)

3. regolithe (sources : de-la-terre-a-la-lune.com)

4. impact de météorite en vue d'artiste (sources : futura-sciences.com)

5. naissance commune Terre-Lune (sources : artivision.fr)

6. le cratère Aristarque (sources : jdc-meteorite.e-monsite.com)

 (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

 Mots-clés :  Jupiter - Saturne - relation Terre/Lune - planète tellurique - période orbitale - marées - régolithe - présence de l'eau - météorites - mission Apollo 75 - Titan

  les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires

 Brêve : nouvelle approche de la formation de la Lune (septembre 2013)

     Pour que le scénario n°1 (planète percutant la Terre) soit valide, il faut que la planète ayant heurté la Terre des débuts ait échangé suffisamment de matière avec elle de façon à ce que la Lune soit en réalité formée à 90 % de matériaux terrestres (expliquant ainsi les similitudes des deux astres et la présence d'eau sur chacun d'eux). Malheureusement, les calculs montrent alors une rotation  résiduelle de la Terre bien plus importante que celle d'aujourd'hui, même après des millions d'années... On était donc dans la confusion jusqu'à ce que des calculs récents prennent en compte un paramètre jusque là sous-estimé, l'action de freinage du Soleil. Du coup, le scénario d'un "impacteur" de la taille de la moitié de la planère Mars percutant la Terre en formation redevient parfaitement crédible ! Et les spécialistes de la Lune de retrouver le sourire...

Sujets apparentés sur le blog

1. vie extraterrestre (2)

2. météorites et autres bolides

3. origine du système solaire

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mise à jour : 10 mars 2023

     Les étoiles dites primordiales sont les toutes premières étoiles ayant jamais existé dans l’univers. Elles étaient sensiblement différentes de celles que nous observons aujourd’hui dans notre ciel : leur rôle fut majeur car elles permirent d’ensemencer les générations stellaires suivantes pour aboutir, entre autres, à l’apparition de la Vie sur la troisième planète d’un système stellaire périphérique de la Voie lactée, le nôtre (et peut-être même ailleurs). Il n’est pas inintéressant de revenir sur cette première génération d’étoiles afin d’essayer de comprendre comment tout a commencé. Nous avons déjà abordé dans ce blog plusieurs aspects de ces débuts fort anciens : pour de plus amples informations, des liens avec les articles spécifiques seront chaque fois précisés.

L’Univers primitif

     De nos jours, la théorie dite du Big bang (voir : Big Bang et origine de l’Univers) n’est plus réellement remise en question : il subsiste certes encore des inconnues (notamment les tout premiers instants de l’Univers) mais des preuves directes sont venues conforter le schéma logique, au premier rang desquelles la découverte du rayonnement fossile sur lequel nous reviendrons. Résumons sommairement l’affaire :

. Les premiers instants

     Ce qui est ennuyeux avec l’appellation « Big bang » (à l’origine une boutade), c’est qu’elle laisse supposer une sorte d’explosion gigantesque ce qui est totalement faux puisque, par définition, une explosion se produit dans l’espace et que de l’espace, il n’y en avait pas : celui-ci s’est créé au fur et à mesure de l’expansion du tout nouvel univers. Mais enfin, usage fait force de loi…

     Sans revenir sur les éléments détaillés dans le sujet concerné, rappelons que les atomes se sont formés environ trois minutes après le point de départ initial (que l’on peut aussi nommer « singularité » puisque la physique classique ne peut y avoir cours) et que c’étaient forcément des atomes simples (hydrogène ou hélium). Toutefois, la température du magma originel était si intense que les électrons (négatifs) ne pouvaient pas encore se lier aux noyaux atomiques (positifs). De la même manière, les photons lumineux ne pouvaient pas encore s’échapper, d’où l’obscurité totale. Il faudra attendre environ 380 000 ans pour que la matière refroidisse suffisamment et que la lumière commence à voyager.

. Le rayonnement primitif

     Vers 380 000 ans et environ 3000°, un énorme « flash » est émis : la trace résiduelle de cet évènement est le fonds diffus cosmologique découvert en 1964 par Penzias et Wilson (ce qui leur valut le prix Nobel de physique), une observation qui fit définitivement pencher la balance du côté de la théorie du Big bang (voir : fonds diffus cosmologique). Visible depuis la Terre dans toutes les directions, ce rayonnement fossile possède une caractéristique remarquable : il semble parfaitement homogène… du moins à première vue.

. Les premières galaxies

     Quand on l’étudie de près, ce rayonnement, on s’aperçoit qu’il présente de subtiles et infimes variations - des irrégularités nommées par les spécialistes des « fluctuations » -

et c’est tant mieux. Parce que ce sont elles qui expliquent l’organisation actuelle de la matière et la formation des premières galaxies. Il n’existe évidemment aucune certitude mais la théorie la plus en vogue est la suivante : à mesure que la matière jusque là réduite à un volume encore minuscule s’est refroidie, de la matière noire s’est condensée (voir : matière noire et énergie sombre) entraînant l’accumulation de gaz. Les infimes variations que nous venons d’évoquer ont attiré gaz et matière noire vers les endroits les plus denses (les « filaments cosmiques », voir : juste après le Big bang) d’où la naissance de conglomérats qui, secondairement, ont conduit à la formation des premières galaxies et des premières étoiles exclusivement composées d’hydrogène et d’hélium, des étoiles dites « primordiales ».

     A quel moment apparurent ces premières structures ? Lors de récentes observations de l’espace lointain, le télescope spatial Hubble a pu mettre en évidence la présence de galaxies très tôt dans l’histoire de l’Univers : environ 600 000 ans après le Big bang (Ce fut une surprise pour les astronomes qui pensaient à une apparition progressive vers 1 à 2 milliards d’années). La formation de notre Univers, on le sait à présent, date d’environ un peu moins de 14 milliards d’années et la constitution des premières étoiles vite regroupées en galaxies s’est donc faite très tôt.

Les étoiles du début

     Il est finalement plus facile de comprendre l’évolution des nuages primordiaux parce que ces derniers ne possèdent aucune chimie compliquée ; ils sont en effet composés d’hydrogène et d’hélium, donc sans atomes lourds ou molécules complexes et donc sans non plus de champs magnétiques : ce sont des structures simples. A cette époque (très) ancienne, les régions les plus denses formaient assez peu d’hydrogène moléculaire mais cela a suffi pour refroidir l’ensemble. On pense que, au début, seules des étoiles supermassives (souvent d’une masse cent fois plus importante – voire plus - que celle du Soleil) se sont formées : les étoiles primordiales.

      Or les étoiles géantes, on l’a déjà mentionné, ont une espérance de vie très courte (voir : mort d’une étoile), peut-être un million d’années (à comparer avec la naine jaune qu’est notre Soleil dont la vie peut durer jusqu’à 10 milliards d’années). Leurs fins de vie sont cataclysmiques et les gigantesques explosions terminales de ces premières étoiles ont pu libérer dans l’espace nombre de corps jusque là absents (soufre, fer, oxygène, or, etc.). C’est cette particularité évolutive qui fait dire que les étoiles primordiales ont ensemencé l’Univers, permettant à celles qui leur ont succédé d’intégrer des matériaux nouveaux… des matériaux sans lesquels la Vie (telle qu’on la connaît) n’aurait pas pu apparaître.

Les plus anciennes étoiles de notre Galaxie

     Notre galaxie, la Voie lactée (également appelée « la Galaxie ») s’est formée il y a environ 12 à 13 milliards d’années à partir d’un gigantesque nuage de gaz. Douze à treize milliards d’années, c’est presque le début de l’Univers et, à défaut d’y trouver des étoiles primordiales déjà depuis longtemps éteintes, est-il possible d’y repérer des étoiles très anciennes, celles de la deuxième génération, qui succédèrent aux étoiles primordiales ? Et si oui, où faut-il chercher ?

     Rappelons tout d’abord la structure d’une galaxie, par exemple celle d’une galaxie spirale comme la nôtre (voir : les galaxies et place du Soleil dans la Galaxie). Le centre d’une galaxie est occupé par un bulbe composé d’étoiles certes anciennes mais riches en éléments lourds. Autour de ce centre, se trouve le disque galactique qui est, quant à lui, un lieu de formation de nouvelles étoiles car il s’y trouve beaucoup plus de gaz et de poussières. Au-delà du disque et de ses bras en spirales, un certain nombre d’étoiles habitent ce que l’on appelle le « halo » galactique et c’est ce halo qui nous intéresse. Signalons au passage que nous ne voyons que la partie visible de ce halo mais qu’existe une région périphérique encore plus étendue composée de matière noire à la nature inconnue.

     C’est dans la zone visible du halo galactique que se trouvent les étoiles les plus anciennes dont la métallicité (les atomes secondairement acquis de plomb, de soufre, etc. déjà cités) est la plus faible car c’est là que se sont formés les premiers éléments galactiques. Effectivement, lorsque le gaz s’est rassemblé pour engendrer le disque galactique, certaines étoiles ont été repoussées en périphérie de l’ensemble et – point important – c’était les premières à avoir été ensemencées par les étoiles primordiales. Toutefois, la plupart de ces étoiles ont dû être de taille bien plus petite que celles de la première génération stellaire ce qui sous-entend qu’elles ont pu vivre plus longtemps… et qu’elles sont donc encore peut-être présentes et observables.

      Et c’est bien ce que rapportent les observations : on a ainsi découvert une étoile dont les quantités de fer sont 100 000 fois moindres que celles du Soleil. Très certainement une étoile de seconde génération. La découverte en revient à Elisabetta Caffau et sonéquipe de recherche européenne (article paru dans la revue Nature en septembre 2011) grâce au VLT (Very Large Telescope européen, installé au Chili). Il s’agit d’un astre situé à 4000 années-lumière de nous, dans la constellation du Lion, et qui, d’après les données du VLT, est pratiquement composé uniquement d’hydrogène et d’hélium puisqu’il ne renferme que 0,00007% d’atomes lourds (contre 2% pour le Soleil). C’est probablement un des astres les plus âgés de la Galaxie, né 8 milliards d’années… avant le système solaire.

     Identifier de tels objets suppose aussi que des étoiles très massives ont dû exister à proximité, des astres depuis longtemps disparus. A contrario, quand on se rapproche du disque galactique, puisqu’il s’y forme encore des étoiles (environ 4 à 5 par an), on trouve très logiquement une proportion plus importante d’étoiles massives.

Les autres galaxies

     Depuis peu, on peut également observer des galaxies très lointaines (et donc très anciennes puisque, rappelons-le, plus on observe loin, plus on voit dans le passé). En 2010, le télescope spatial Hubble nous a ainsi gratifié d’une très intéressante photographie de galaxies fort anciennes (à plus de 13 milliards d’années-lumière, soit presque le début de l’Univers). On y distingue de plus petites galaxies que celles d’aujourd’hui, ces structures possédant des populations d’étoiles très bleues ou, dit autrement, d’étoiles jeunes très primitives et déficitaires en éléments lourds : des étoiles primordiales ou, à tout le moins, de seconde génération. Voilà qui conforte encore plus l’image d’un Univers en expansion créé à partir d’une singularité initiale extraordinairement petite.

Un Univers en expansion

     Notre Univers est immense : des milliards de galaxies renfermant chacune des centaines de milliards d’étoiles… On sait depuis quelques années que cet univers s’étend sans cesse, créant l’espace au fur et à mesure et, plus encore, que cette expansion s’accélère. On le sait en effet depuis Hubble (l’astronome, pas le télescope spatial) : les galaxies s’éloignent les unes des autres et ce d’autant plus vite qu’elles sont éloignées de la nôtre. Il n’existe qu’une exception à cette règle universelle : les groupes locaux, c'est-à-dire des galaxies suffisamment proches les unes des autres (tout est relatif) pour que ce soit la gravité qui règle leurs mouvements ; c’est par exemple, le cas de notre Voie lactée et de la trentaine de galaxies qui lui sont proches, comme celle d’Andromède M31 avec laquelle elle fusionnera dans quelques milliards d’années. Il s’agit là d’exceptions dite locales puisque, à terme, ces groupes de galaxies voisines ne finiront plus par former qu’une seule et même entité… s’éloignant de toutes les autres.

     L’univers continuera-t-il son expansion ? La réponse est pour l’instant inaccessible. Il est possible que cette fuite vers l’immensité soit sans fin et que ce formidable déploiement de l’espace aboutisse à un vide incommensurable peuplé de quelques ilôts de matière qui finiront par s’effilocher dans le néant. A l’inverse, on peut imaginer que cette expansion cessera à l’arrivée d’un point d’équilibre encore inconnu pour s’inverser dans une contraction qui ramènera la matière à son point d’origine (les cosmologistes ont baptisé cette éventualité du nom de Big crunch). Certains avancent même l’idée d’une sorte « d’effet de balancier » de l’Univers s’étendant sur des dizaines de milliards d’années en une sorte de pulsation perpétuelle.

     Les lois de la physique étant immuables, le seul moyen d’approcher une réponse crédible est l’étude de notre passé galactique, notamment celle de ses premiers instants. Il reste tant de mystères à découvrir (matière noire, énergie sombre, singularité initiale, etc.) que l’observation, encore et toujours, du cosmos est pour l’Homme le seul moyen de satisfaire sa curiosité. Simple curiosité, toutefois, car la durée de ces phénomènes dépasse totalement son espérance de vie, même en terme de civilisations ou d’espèce…

Images

1. Rigel et la nébuleuse de la Tête de Sorcière

(sources : fredofenua.blogspot.com/2008_10_01_archive.html)

2. vue d'artiste du Big bang (sources : paleodico.wifeo.com)

3. carte du fonds diffus cosmologique (sources : cougst.free.fr)

4. vue d'artiste d'une explosion de supernova (sources : dreamstime.com)

5. Voie lactée (sources : fr.wikipedia.org)

6. plus vieille étoile de la Voie lactée (sources : ciel.science-et-vie.com)

7. plus anciennes galaxies photographiées par le télescope spatial Hubble

(sources : hubblesite.org/newscenter)

 (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Big bang - rayonnement fossile - singularité initiale - photons - satellite COBE - télescope spatial Hubble (site en anglais) - étoiles supermassives - naine jaune - Voie lactée - halo galactique - accélération de l'expansion - groupe galactique local - Big crunch

les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires

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1. juste après le Big bang

2. les premières galaxies

3. Big bang et origine de l'Univers

4. les galaxies

5. matière noire et énergie sombre

6. fonds diffus cosmologique 

7. mort d'une étoile

8. HD 140283, retour sur les étoiles primordiales

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 mise à jour : 11 mars 2023

     Donner des noms aux objets qui nous entourent remonte très certainement à loin dans le passé. Nos ancêtres préhistoriques, dès qu’ils eurent une conscience suffisante, cherchèrent probablement à se repérer dans leur espace d’où l’élaboration d’une sorte de cartographie rudimentaire. Le ciel qui leur paraissait bien plus proche qu’il ne l’est en réalité était certainement vécu par eux comme un toit, un dôme lumineux où, régulièrement selon les jours et les saisons, réapparaissaient des points brillants qu’il leur fallut bien dénommer. Plus tard, au commencement de notre actuelle humanité, des hommes cherchèrent à identifier plus précisément ces astres qui pouvaient leur servir de repère, la nuit en l’absence du Soleil. Contrairement à ce que croient bien des gens, ce ne sont pas les marins qui imaginèrent les premiers des tracés célestes, les constellations, afin de se déplacer plus aisément, mais les caravaniers qui s’enfonçaient dans les déserts…

Une histoire ancienne

     Les étoiles les plus brillantes possèdent de nombreux noms différents, témoignant ainsi des civilisations et cultures diverses s’étant intéressé à elles (par exemple, Véga, quatrième étoile de notre ciel par sa luminosité, possède plus de 40 noms !). Trop d’appellations assurément : c’est la raison pour laquelle, au commencement de la période moderne, on décida, comme on le verra ensuite, d’unifier cet embrouillamini. Avant, en effet, les peuples de la préhistoire qui observaient ces cieux de nuit immuables et pourtant changeants avaient très tôt attribué des symboles magiques à ces bijoux brillants qu’ils croyaient divins.

     Les étoiles les plus éclatantes ont des noms issus des langues antiques : celui, par exemple, de Sirius (la plus brillante du ciel) est d’origine grecque signifiant « celle qui dessèche » mais l’astre est en réalité un système double associant deux étoiles blanches (dont une naine) qui doit sa luminosité intense à sa proximité du système solaire. Celle qui dessèche ? C’est parce qu’il s’agit d’une traduction d’une expression égyptienne où l'on considérait Sirius comme annonciatrice de la saison chaude : en effet, l’étoile apparait juste avant le Soleil, au solstice d’été dans l’hémisphère nord. La saison chaude est, on le sait, un temps de fortes chaleurs appelée « canicule » d’où, également, le nom latin de Sirius, « canicula », la petite chienne, chez les Romains.

     D’autres noms proviennent directement du latin comme, par exemple, Régulus (le roitelet), l’Etoile Polaire (Polaris) ou la géante rouge Arcturus (« le gardien des ours » puisque proche de la Grande Ourse et de la Petite Ourse).

     Toutefois, c’est au moyen-âge que les astronomes arabes s’efforcèrent d’unifier quelque peu le grand désordre de ces noms. Ceux-ci s’inspirèrent de l’Almageste de Ptolémée, ouvrage du IIème siècle rassemblant l’ensemble des connaissances astronomiques de l’antiquité (notamment la compilation de 1022 étoiles), qu’ils traduisirent dès le IXème siècle : on comprend donc pourquoi la grande majorité des noms d’étoiles sont d’origine arabe. Citons, à titre d’exemple, Deneb (Al Dhanab, la queue), Bételgeuse (ibt al-ghül, l’épaule du géant) ou encore la géante rouge Aldébaran (al-dabarän, la suivante, car elle « suit » le groupe des Pléiades, amas ouvert d’étoiles observé depuis la plus haute antiquité).

     L’Europe occidentale eut connaissance des ces textes au XIIème siècle par des traductions espagnoles et surtout au XVème siècle par une version grecque en provenance de Byzance. Dès lors, une confusion intense s’installa : des étoiles eurent plusieurs noms sans qu’on en comprenne l’origine tandis que d’autres furent affublées de noms grecs qui concernaient d’autres étoiles. On arriva même à avoir des noms identiques pour des astres de constellations différentes. Une remise à plat du système devenait indispensable : elle eut lieu au début du XVIIème siècle.

L’époque moderne

     C’est un magistrat allemand féru d’astronomie, Johannes BAYER (1572-1625), qui s’attela le premier à cette tâche en réalisant un atlas concernant l’ensemble de la sphère céleste (51 cartes sidérales correspondant aux 48 constellations connues de Ptolémée plus une pour le ciel du sud inconnu de l’astronome grec et deux planisphères, aboutissant à un total de 1705 étoiles). C’était un travail considérable construit à partir des observations du plus grand astronome de l’époque, le Danois Tycho Brahe, et qui fut publié à Augsbourg en 1603 sous le nom d’Uranometria.

      Plus encore, Bayer proposa une classification, encore employée de nos jours, qui désignait les étoiles selon une méthode simple : l’utilisation de lettres grecques pour les étoiles selon leur ordre de brillance au sein d’une même constellation, suivie du nom latin de la constellation concernée. Ainsi Sirius (qui conserve toujours son nom usuel pour le profane) devint alpha canis major (étoile principale de la constellation du Grand Chien) tandis que, par exemple, Aldébaran devint alpha Tauri (la plus brillante du Taureau) et Rigel, béta Orionis (la deuxième de la constellation d’Orion, derrière Bételgeuse).

     En 1862, l’astronome allemand Friedrich Wilhelm August ARGELANDER (1799 – 1875) proposa un catalogue comprenant toutes les étoiles présentes dans l’hémisphère nord jusqu’à la magnitude 9,5 ce qui concerne 459 000 étoiles. Le catalogue argentin de Cordoba complétera ce travail avec près de 580 000 étoiles de l’hémisphère sud.

      Durant ces premières tentatives de classement et de dénomination des étoiles, on aura pu constater le recours fréquent fait au système des constellations, doctrine issue de l’antiquité, mais un tel concept a-t-il encore une véritable signification de nos jours ?

Etoiles et constellations

     Comme j’ai eu l’occasion de l’aborder dans un sujet précédent (voir astronomie et astrologie), une constellation n’est qu’une vue de l’esprit sans aucune justification scientifique (n’en déplaise aux astrologues). De quoi s’agit-il en effet ? Pour se repérer plus facilement, les Anciens avaient recours à des constructions imaginaires (d’animaux, d’objets, etc.) qui reliaient entre elles des étoiles qui n’ont rien à voir les unes avec les autres. Le seul critère retenu était celui de la luminosité apparente des astres : une étoile proche parait ainsi bien plus brillante qu’une autre peut-être beaucoup plus grosse mais plus lointaine. Du fait, ces figures ne sont en réalité visibles que de la Terre : un observateur placé sur une planète située à quelques dizaines d’années-lumière de notre Soleil verrait des constructions bien différentes… Par ailleurs, selon les civilisations (Egyptienne, Babylonienne, Chinoise, etc.), les constellations varient en noms et en représentations théoriques… Ces constellations furent regroupées une fois pour toutes en 1930 dans le Catalogue Officiel des Constellations, précisant les limites exactes des 88 d’entre elles officiellement reconnues. Il s’agit, toutefois, d’une initiative plus historique que scientifique car si on a gardé ce système, c’est uniquement pour la commodité des seuls Terriens sur leur planète : les scientifiques ont depuis longtemps renoncé à s’en servir.

Atlas et cartes stellaires

     Nommer les étoiles, c’est bien mais il faut également les situer les unes par rapport aux autres d’où la réalisation indispensable de cartes stellaires. Précisons la signification exacte de certains termes :

     * on appelle cartes célestes la représentation graphique des étoiles dans le ciel. Elles existent sous différentes formes :

. des cartes murales présentées à plat, pliées ou roulées, de plus ou moins grand format. Sont le plus souvent représentées les étoiles visibles à l’œil nu, soit environ 6 000 astres ;

. des cartes mobiles sous la forme d’un disque coulissant dans une chemise cartonnée à découpe : on règle la découpe en fonction de l’heure et du lieu de façon à représenter la portion de ciel visible au moment choisi ;

     * les atlas dessinent le ciel graphiquement (ou en photos) à grande échelle mais, à la différence des cartes, ils comprennent plusieurs planches. La magnitude et le nom d’étoiles y figurent mais aussi parfois, des nébuleuses, des amas stellaires voire certaines galaxies ;

     * les catalogues, enfin, sont des livres dans lesquels chaque étoile est décrite avec le plus de précision possible. Ces catalogues peuvent être spécialisés ne comprenant, par exemple, que les nébuleuses planétaires, les amas stellaires ou les systèmes binaires d’étoiles.

     Pour les lecteurs intéressés, citons certains des ouvrages les plus connus : le Henri Draper catalog, le catalogue Messier, le New General Catalog, le Aitken Double Star (pour les étoiles doubles), mais il en existe bien d’autres. Chaque fois qu’on désignera un objet céleste à partir d’une de ces bases de données, on n’oubliera pas de mentionner l’abréviation de la source : par exemple, M31 pour la galaxie d’Andromède (M pour Messier) ou NGC 292 pour le Petit Nuage de Magellan, une petite galaxie satellite de la nôtre (NGC faisant évidemment référence au New General Catalog).

     Je précisais que la classification de Bayer est toujours en vigueur, en tout cas pour les étoiles jusqu’à la magnitude 7. Toutefois, les télescopes modernes ont repéré bien plus d’étoiles, des millions sans doute, et, du coup, leur nombre est trop important pour les lettres de l’alphabet grec : on a alors recours à d’autres numéros d’ordre sans se préoccuper du découpage arbitraire des constellations.

Classement des étoiles

     Lorsqu’on lève les yeux vers le ciel par une belle nuit sans lune et sans nuages (mais également sans les lumières parasites artificielles des hommes), on ne peut qu’être frappé par la beauté du spectacle présenté par ces mondes lointains à jamais inaccessibles ; on reste même parfois ébloui par tous ces points lumineux et scintillants : ne dit-on pas de certaines nuits qu’elles sont « cloutées d’or » ? Pourtant, ce que l’œil de l’homme - même le plus aguerri – aperçoit alors n’est qu’une partie infinitésimale d’un ensemble si vaste que l’esprit peine à se le représenter…

      Mais l’être humain est ainsi fait que, même si cela lui semble difficile, il lui faut inventorier, classer, nommer. Nommer les étoiles, c’est assurément un moyen de repérer, d’identifier et donc de connaître mais, pour distinguer ces étoiles les unes des autres, on peut procéder autrement. Dans de précédents sujets (voir les sujets la couleur des étoiles et mort d'une étoile), j’avais décrit d’autres méthodes pour identifier les différentes étoiles qui peuplent notre Univers. Loin de la systématique purement descriptive que nous venons de survoler, il est en effet possible de caractériser les étoiles par leurs couleurs ou leurs interactions, voire leur évolution ou encore leurs caractéristiques physiques : n’hésitez pas à cliquer sur les liens situés quelques lignes plus haut afin d’explorer certaines de ces autres pistes.

Images

  1. la constellation d'Orion (sources : http://www.toujourspret.com)

  2. Sirius en Egypte au solstice d'été, vue d'artiste (sources : http://www.40daydetox.com/)

3. l'Almageste traduite en arabe (source : http://www.astrosurf.com/)

4. constellation du Lion dans l'Uranometria de Bayer (sources : http://www.flickr.com/photos/uofglibrary)

5. constellation du Scorpion (sources : http://www.clipartpal.com/)

6. exemple de carte céleste mobile (sources : http://fr.wikipedia.org)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Vega - Sirius - Ptolémée - Almageste - Johannes Bayer - Friedrich Argelander - catalogue de Cordoba - catalogue Messier - New General catalog

(les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

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1. astronomie et astrologie

2. céphéides

3. mort d'une étoile

4. étoiles doubles et systèmes multiples

5. la couleur des étoiles

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     Sommes-nous seuls dans l’Univers ? Voilà une question qui hante l’Homme depuis qu’il a une conscience. Ecrivains, philosophes, scientifiques, bien d’autres encore ont cherché à répondre à cette angoissante question, certains d’entre eux en scrutant les nuits étoilées, d’autres ce que leur dictait leur raison. Dans un sujet précédent (voir : vie extraterrestre, 2ème partie), j’ai rapporté les savants calculs d’Isaac Asimov, scientifique brillant et écrivain de science-fiction prolifique, qui, se basant sur les statistiques, explique que au moins 500 000 civilisations technologiques doivent exister en ce moment dans notre seule galaxie qui regroupe, il est vrai, entre 200 et 300 milliards d’étoiles (et encore plus de planètes). Mais les faits, les observations réelles, les signes indiscutables, les preuves en somme ? Rien pour le moment. On peut donc s’interroger : la Science et les techniques ont-elles les moyens de résoudre ce mystère venu du fonds des âges ?

     De nombreuses tentatives d’entrée en contact ont eu lieu, certaines d’entre elles étant toujours en cours : parmi ces dernières, l’expérience la plus célèbre est celle du projet SETI, à laquelle je vous propose de nous intéresser.

Projet SETI : la genèse

     Rechercher la preuve d’une intelligence extraterrestre demande de la méthode. En effet, il s’agit ni plus ni moins que d’analyser des signaux (ondes radio ou ondes visibles) provenant de l’espace mais pas n’importe lesquels bien sûr puisqu’il faut identifier des productions ne devant rien au hasard : ces signaux doivent impérativement avoir été émis, volontairement ou non, par une civilisation technologiquement avancée.

     La première tentative de SETI (Search for ExtraTerrestrial Intelligence ou recherche d’une intelligence extraterrestre) date de 1960 et fut baptisée à l’époque le projet Ozma (d’après « la princesse d’Oz »). L’idée était donc d’identifier dans le cosmos une activité ne devant rien au hasard de la Nature. Pour cela, le premier directeur de recherche, l’américain Franck D. Drake, postula que l’observation au radiotélescope devait se faire sur la raie à 21 cm de l’atome d’hydrogène, supposée être suffisamment naturelle pour représenter un standard universel de communication radio. Il porta son choix sur deux étoiles assez proches du système solaire (à environ 11 années-lumière) : Epsilon d’Eridan et Tau Ceti de la Baleine, étoiles de structure comparable à notre Soleil et donc susceptibles d’abriter chacune un cortège de planètes. L’observation dura quatre mois mais sans aucun résultat.

     On décida donc d’élargir le champ de recherche dans un projet complémentaire baptisé Ozma II qui dura presque 4 ans (1973-1976) et porta sur l’observation de près de 650 étoiles. Sans plus de succès.

     On peut penser que ces résultats n’étaient guère encourageants… sauf qu’il s’agissait d’une étude très réduite, n’observant qu’une toute petite partie du ciel et, de plus, durant peu de temps. Un grain de sable sur l’immensité de la plage cosmique… Les scientifiques décidèrent de poursuivre leurs efforts en élargissant leur champ d’observation et ce d’autant que les techniques – et les moyens – progressaient au fil des années.

Projet SETI : la maturité

     Il fut décidé dans un premier temps de prendre le problème à l’envers. En 1974, à partir du grand radiotélescope d’Arecibo (Porto Rico), on envoya un message en direction de l’amas stellaire Messier qui regroupe quelques dizaines de milliers d’étoiles et qui est situé à environ 24 000 années-lumière du Soleil. Les scientifiques réfléchirent longuement à la teneur du « message » : il fallait en effet qu’il puisse être suffisamment universel pour être interprété et compris par les éventuels extraterrestres. Il fut décidé d’envoyer 1. la liste des dix premiers nombres entiers ; 2. la formule de l’ADN ; 3. la représentation des plus simples des éléments chimiques de la classification de Mendeleïev et 4. quelques renseignements plus spécifiquement humains, à savoir un schéma du système solaire, la représentation du corps humain et, pour faire comprendre comment on procédait, le schéma d’un radiotélescope. Il est à noter que cette initiative fut contemporaine du lancement des sondes américaines Pionner qui emportèrent des renseignements analogues gravés sur une plaque d'or.

     Parallèlement, plusieurs projets continuèrent la recherche d’ondes possiblement extraterrestres. Toutefois, en 1993, le Congrès américain – qui était jusqu’alors le principal pourvoyeur de SETI – décida de couper totalement ses crédits alléguant qu’il valait mieux consacrer ces moyens financiers devenus rares à des opérations plus immédiatement rentables. L’affaire fit alors grand bruit et ce sont des moyens privés (aux USA) qui se substituèrent à l’argent gouvernemental défaillant…

* le projet Phoenix : démarré en 1995, il permit l’observation de près d’un millier d’étoiles distribuées dans un rayon de 150 années-lumière autour du Soleil, la plupart des ces astres étant similaires à ce dernier. L’opération s’acheva en 2004 sans avoir décelé d’anomalies non naturelles.

* les divers projets SERENDIP : alors que Phoenix demandait l’utilisation exclusive d’un radiotélescope, ces projets (américains, australiens, etc.) utilisèrent (et utilisent encore car certains d’entre eux subsistent) les plages non utilisées de radiotélescopes par ailleurs réservés à des observations astronomiques diverses ce qui explique la recherche de signaux un peu partout dans l’Univers, les cibles étant déterminées par les projets classiques en cours.

* le nouveau SETI : en 2007, l’université de Berkeley (Californie) et le SETI Institute mirent en service un instrument nouveau, entièrement dédié à l’observation d’éventuels signaux cosmiques : l’ATA (pour Allen Telescope Array, du nom de Paul Allen, co-fondateur de Microsoft et principal donateur). L’ATA sera, une fois entièrement construit, le radiotélescope le plus rapide et le plus grand du monde. Pour l’instant composé de 42 antennes, il devrait à terme en posséder 350, réparties sur près d’un km, ce qui lui conférera une sensibilité équivalente à celle d'un télescope de 100 m de diamètre : on pourra alors surveiller plus d’un million d’étoiles en même temps !

     Seule ombre au tableau : pour le construire, SETI bénéficiait d’aides fédérales qui ont été (une nouvelle fois) suspendues en avril 2011 ce qui laisse pour le moment l’ATA avec ses seules 42 antennes de départ. On espère que le projet pourra être rapidement poursuivi !

     Le projet SETI est connu d’une grande partie des internautes du monde entier mais pas uniquement pour ses motifs de recherche. En effet, les concepteurs de l’opération ont eu une idée diablement astucieuse qui a permis leur notoriété au-delà du simple cercle des seuls intéressés par le sujet étudié…

Le projet SETI : SETI@home

     Enregistrer des données, c’est bien mais encore faut-il pouvoir les décrypter or la masse de ces données est considérable. Les concepteurs de SETI ont donc eu une idée : et si on utilisait la puissance de calcul des ordinateurs des particuliers du monde entier (en tout cas, une petite partie d’entre eux) ? Pour cela, les scientifiques ont développé un logiciel qui se présente sous la forme d’un écran de veille : lorsque l’utilisateur abandonne sa machine pour faire autre chose, le logiciel se sert de celle-ci pour analyser une partie des données enregistrées par SETI en cherchant donc les fameux signaux. Remarquons par ailleurs que le logiciel peut également fonctionner « en toile de fond », consommant peu de ressources, ce qui ne devrait alors guère gêner ceux qui font de la simple bureautique ou une promenade sur Internet…

      Au début vécu un peu comme une gageure, les gens de SETI espéraient 50 000 à 100 000 participants : ils sont aujourd’hui plus de 5,2 millions répartis à travers le monde. Du coup, la puissance de calcul totale est très importante : à titre de comparaison, le superordinateur le plus puissant du monde, Tianhe-I (Chine) a une puissance de calcul de 2 566 TeraFlops tandis que SETI@home atteints 509 TeraFlops… Pas si mal !

     Vous aussi, vous vous sentez intéressé à « prêter » votre ordinateur durant ses périodes d’inactivité ? Rien de plus simple : cliquez sur le lien suivant setiathome.free.fr et téléchargez le logiciel (c’est rapide et, bien sûr, gratuit). Vous n’aurez ensuite plus à vous soucier de rien : le logiciel prendra le relai après une certaine période d’inactivité de votre machine et enverra ses données tout seul à Berkeley. Aucune crainte à avoir : tout est sécurisé.

La recherche des signaux extraterrestres

     En dépit d’années d’observation, aucun signal clairement identifié comme provenant d’une civilisation extrasolaire n’a jusqu’à présent pu être mis en évidence. Aucune raison de se décourager pourtant. Si l’on suit les calculs statistiques d’Isaac Asimov auxquels je faisais allusion en préambule, on table sur un demi-million de sociétés évoluées possibles… mais sur un total observable de 300 milliards d’étoiles : autant dire que nous n’en sommes qu’aux premiers balbutiements…

     Certaines « anomalies » ont été repérées qui cadrent mal avec des causes naturelles (connues) et leur décryptage reste à faire. C’est du moins ce que nous disent les spécialistes : l’avenir, ici aussi, tranchera.

     Reste un problème et il est de taille : à supposer que l’on identifie une source extraterrestre, comment communiquer avec elle quand on sait que la lumière met près de quatre ans pour atteindre (ou revenir) de notre plus proche voisine, la naine rouge alpha C (dite Proxima) du Centaure ? Communiquer – en aller et retour – avec une civilisation lointaine mettrait un temps tel que nos civilisations auraient le temps de s’éteindre dans l’intervalle. Comment résoudre ce défi ? Pour l’heure, personne ne sait répondre à cette question…

Sources

1. Encyclopaedia Britannica

2. Encyclopédie Universalis

3.  http://setiathome.berkeley.edu/

Images

1. le télescope ATA du projet SETI (sources : www.freedomsphoenix.com)

2. l'étoile Epsilon Eridani (sources : futura-sciences.com)

3. le Soleil et Tau Ceti (sources : http://commons.wikimedia.org)

4. message symbolique envoyé conjointement par SETI et la sonde Pioneer 10 (sources : http://fr.wikipedia.org)

5. le Allen Telescope Array (sources : www.planet-techno-science.com)

6. l'écran de SETI@home (sources : www.espenship.com)

7. étoiles (sources : http://crocosphere.free.fr/)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : projet SETI - Isaac Asimov - projet OZMA - Franck D Drake - Epsilon Eridani - Tau Ceti - radiotélescope d'Arecito - sondes Pioneer - projet Phoenix - projets SERENDIP - ATA - seti@home

  (les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

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Mise à jour : 7 mars 2023

     Dans les ciels d’avant la révolution industrielle, loin des fumées et des pollutions lumineuses d’aujourd’hui, pour peu que la nuit ait été dégagée, seules quelques nappes de brouillard en hiver ou une brume de chaleur en été pouvaient empêcher de contempler l’infini. Il suffisait de marcher quelques dizaines de mètres pour s’éloigner des villes ou des villages afin de se confronter à cet univers à la fois si proche et si lointain.

     Nombre d’objets étaient alors accessibles à l’œil humain : les étoiles et les planètes bien sûr, les premières se différenciant des secondes par leur scintillement et leur apparente immobilité entre elles. Une comète, de temps à autre, venait ajouter à ce bel équilibre son panache lumineux, porteur ici-bas d’interprétations diverses. Des nébulosités étranges que l’on ne savait pas encore décrypter complétaient ce tableau féérique, ponctué à certaines périodes de l’année par des essaims de météorites qu’on appelait étoiles filantes. Parfois, mais rarement, des intrus venaient se mêler à ce spectacle si connu parce qu’observé tant de fois au fil des saisons : des étoiles nouvelles. Ces apparitions fort inattendues étaient effectivement bien des étoiles – leur scintillement le prouvait – mais ces astres souvent très lumineux au point d’éclipser leurs compagnes éphémères ne vivaient que peu de temps, quelques semaines voire quelques mois au plus. On les appela novas.

     La chronique a retenu l’apparition de quelques unes de ces novas, souvent corrélées à un événement important de notre histoire afin d’en tirer une signification magique. Ainsi, en 1006, les astronomes du monde d’alors, Européens, Japonais, Chinois, Egyptiens, Irakiens, d’autres peut-être encore, mentionnèrent l’apparition d’une étoile nouvelle, probablement la plus brillante observée durant les temps historiques : l’astre resta visible près d’un an et les écrits mentionnent que son éclat était si intense que, mis à part le Soleil, c’était la seule étoile capable de produire des ombres à la surface de la Terre. Quelques années plus tard, en 1054, une autre nova défraya la chronique, surtout en Extrême-Orient, où elle fut observée pendant près de deux ans, restant durant trois semaines visible en plein jour, tandis que ses restes, la nébuleuse dite du Crabe, ne furent identifiés par les Européens qu’au XVIIIème siècle.

     Ces « étoiles nouvelles »  sont rares : les statistiques nous disent qu’elles ne sont que deux ou trois par siècle dans la Voie lactée… Toutefois, depuis qu’existent les instruments de l’époque moderne, aucune nova n’y a été repérée, les seules récemment visibles appartenant à des galaxies extérieures ! Alors que sont au juste ces astres fugaces ?

Novas

     Il convient de bien saisir avant toutes choses que novas et supernovas sont de nature très différente et qu’elles ne doivent donc pas être confondues. Presque toujours, les astres décrits dans les temps historiques comme étant des novas sont en réalité des supernovas, des entités sur lesquelles nous reviendrons secondairement.

     Une nova, quant à elle, est une étoile qui, brutalement, voit son éclat extraordinairement amplifié, parfois jusqu’à dix fois sa valeur de base, avant, au bout de quelques jours, de revenir à sa brillance initiale. Il s’agit, en réalité, non pas d’une étoile mais d’un système binaire (voir le sujet : étoiles doubles et systèmes multiples) qui, à un moment de son existence, se trouve déséquilibré : on a le plus souvent affaire à un vieux système stellaire associant une naine blanche à sa compagne devenue une géante rouge (voir le sujet : mort d’une étoile). Cette dernière en gonflant démesurément va perdre une partie de sa masse au profit de la naine blanche qui la capte en formant autour d’elle un disque d’accrétion finissant par tomber à sa surface. Les gaz provenant de la géante rouge sont surtout de l’hydrogène et de l’hélium et la naine blanche, en raison de son énorme gravité, va les écraser. Ces gaz sont alors portés à des températures extrêmes au point, la masse critique une fois atteinte, d’entraîner une explosion thermonucléaire par transformation de l’hélium en métaux plus lourds : les gaz de surface sont alors projetés dans le vide, l’énergie libérée entraînant un éclat intense mais qui dure peu. Le phénomène se reproduira tant que la géante rouge aura des matières à fournir à la naine blanche (il arrive que, sous la violence du choc, la naine blanche explose mettant ainsi fin au processus).

     On connaît des novas qui ont déjà vécu plusieurs explosions successives toutes marquées par l’augmentation temporaire de leur éclat (cas, par exemple, de RS Ophiuchi qui a subi six « éruptions » depuis un peu plus de cent ans). A chaque fois qu’une explosion se produit, là où il n’y avait jusqu’alors rien dans le ciel, apparaît un astre nouveau, une nova, dont l’existence sera extrêmement brève. Les astronomes connaissent bien ce type d’objets mais ces novas, finalement pas assez intenses compte tenu de l’éloignement, ne sont pas celles que virent les anciens des siècles passés : il s’agissait presque toujours d’un autre type de phénomènes liés à ce qu’on appelle des supernovas.

Supernovas

     Effectivement, ce sont bien des supernovas que les anciens ont observé dans le passé car l’énergie dissipée par le phénomène est bien plus grande que les " simples novas " dont nous venons de discuter. Le rayonnement énergétique d’une supernova – et donc la brillance – est tel qu’il peut égaler celui d’une galaxie entière (qui, rappelons-le, renferme environ 200 milliards d’étoiles). C’est la raison pour laquelle on peut observer la « nouvelle étoile » en plein jour, même s’il s’agit d’une supernova ayant explosé dans une galaxie proche (comme, par exemple, la galaxie d’Andromède) pourtant séparée de la Voie lactée par des millions d’années-lumière. Quel peut donc être le phénomène qui conduit à une telle débauche d’énergie pendant des mois ?

     Il existe deux mécanismes différents :

* l’un correspond à ce que nous avons évoqué plus haut en parlant des simples novas : parfois, lorsque, dans un couple stellaire, le cadavre d’étoile qu’est une naine blanche « attrape » trop de matière provenant de son compagnon, il finit par exploser : on parle alors de supernova thermonucléaire (ou de type I);

* l’autre processus est bien différent : ici, pas de système binaire mais une énorme étoile en fin de vie, un astre dont la masse est supérieure à au moins huit masses solaires : nous avons déjà évoqué ce phénomène dans le sujet : mort d’une étoile. On parlera ici de supernova par effondrement de cœur (ou de type II).

     Voyons cela d’un peu plus près.

Processus conduisant à la formation des supernovas

          * supernovas de type thermonucléaire

     On a donc affaire à une naine blanche, dernier stade évolutif d’une étoile de masse inférieure à huit masses solaires (la grande majorité) qui, normalement, s’éteint progressivement pendant des milliards d’années jusqu’à devenir une naine noire, simple conglomérat de matière inerte. Toutefois, plus d’une fois sur deux, ce reste d’étoile fait partie d’un système multiple comprenant une autre étoile également en fin de vie mais à un stade moins avancé comme une géante rouge. L’expansion de cette géante, on l’a dit, provoque l’attraction de matière sur la naine d’où les phénomènes de simple nova. Toutefois, il arrive que la naine attire finalement trop de matière (on parle alors de limite de Chandrasekhar) et la pression interne de celle-ci devient trop faible pour contrebalancer sa gravité propre : la naine s’effondre sur elle-même entraînant l’allumage des atomes de carbone et d’oxygène qui la composent. A la différence des étoiles en cours de vie, la naine ne peut pas se dilater : les réactions de fusion s’amplifient et tout se termine dans une gigantesque explosion thermonucléaire, l’énergie alors libérée expliquant la soudaine luminosité.

          * supernovas à effondrement de cœur

     On l’a déjà évoqué par ailleurs, une étoile dont la masse est supérieure à huit masses solaires va terminer sa vie en étoile à neutrons. Ces étoiles, à la différence de leurs sœurs moins massives (comme le Soleil) qui meurent lorsqu’elles ont épuisé leur réserve d’hélium, sont le lieu de réactions plus complexes. Du fait de leur masse énorme, de nouvelles réactions nucléaires sont présentes chez elles qui conduisent en fin de cycle à la création d’atomes de fer, atomes très stables et incapables de fusionner. Ce cœur de fer ne peut que s’effondrer sur lui-même dans ce qu’on appelle une pression de dégénérescence pour aboutir à la formation de neutrons (d’où le nom d’étoiles à neutrons). Dans le même temps, les couches extérieures de l’étoile s’effondrent aussi et vont rebondir sur le noyau de fer incompressible. Le résultat ? Une terrible onde de choc qui va souffler l’enveloppe de l’étoile et l’expulser dans le vide à des vitesses considérables (plusieurs milliers de km par seconde). Cette extraordinaire débauche d’énergie fait briller l’étoile comme des milliards de soleils… Une fois l’intense luminosité passée, on ne voit plus, à l’endroit de l’explosion, que les restes en expansion rapide des couches externes de l’étoile : on parle alors de « rémanent de la supernova ». Ce sont ces restes que nos télescopes peuvent voir sous la forme de la nébuleuse du Crabe, derniers vestiges de la supernova de 1054.

          * hypernovas

     Les étoiles hypermassives (30 à 40 masses solaires) peuvent terminer leur vie en hypernova, c'est-à-dire se transformer directement en trous noirs : il s’agit là d’un phénomène encore hypothétique mais susceptible d’expliquer les sursauts gamma, ces explosions soudaines d’énergie figurant parmi les plus fortes de l’Univers.

Les novas, marqueurs de notre imaginaire

     Les apparitions soudaines de ces étoiles nouvelles ont profondément marqué l’imaginaire de nos ancêtres qui y voyaient une manifestation divine pour certains ou le présage annonciateur de catastrophes pour d’autres. Dans tous les cas, on craignait ces transformations inattendues du ciel. Et si les principales observations de tels phénomènes proviennent de l’Orient, c’est que, sous nos latitudes, jusqu’à la révolution copernicienne, on estimait que, selon les Ecritures, le ciel ne pouvait être  qu’immuable (voir le sujet : la Terre, centre du Monde). Rien ne devait bouger dans l’Univers supralunaire…

     Il s’agit pourtant de phénomènes parfaitement explicables et même nécessaires puisque la mort de ces étoiles massives permet l’ensemencement des galaxies en atomes lourds qui n’existaient évidemment pas avec la première génération d’étoiles, celles qu’on appelle « primordiales ». On pense même que notre propre système solaire a pu « s’allumer » à la suite de l’explosion d’une supernova proche… Quoi qu’il en soit, il est certain que sans ces astres du temps jadis le Soleil et son système planétaire ne seraient certainement pas ce qu’ils sont : un endroit propice à la Vie.

Images

1. ciel nocturne sur Flagstaff, Arizona (sources : apod.nasa.gov)

2. supernova 1994D dans la galaxie NGC5426 (sources : www.pixheaven.net)

3. nébuleuse du crabe (sources :  amicaldauphin.spaces.live.com)

4. dessin d'artiste d'un couple stellaire conduisant à une nova (sources : www.futura-sciences.com)

5. supernova 2005df (sources : en.wikipedia.org)

6. mécanisme de formation d'une supernova de type I (sources : en.wikipedia.org)

7. supernova de type II (sources : whillyard.com)

8. rémanent de la supernova Tycho de 1572 (sources : www.universetoday.com)

   (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : nova de 1006 - nova de 1054 (nébuleuse du Crabe) - système stellaire binaire - naine blanche - géante rouge - disque d'accrétion - limite de Chandrasekhar - étoile à neutrons - rémanent de supernova - sursauts gamma - étoiles primordiales

  (les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Articles connexes sur le blog

* la Terre, centre du Monde

* mort d’une étoile

* étoiles doubles et systèmes multiples

* la mort du système solaire

* les étoiles primordiales

* sursauts gamma

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Mise à jour : 8 mars 2023

    Observer l’Univers qui l’entoure, depuis le plus petit grain de sable jusqu’à l’étoile lointaine, a, de tout temps, passionné l’Homme. Une manière certaine de se situer, d’expliquer sa présence, d’anticiper son avenir peut-être. Mais l’observation n’est que le début : homo sapiens, grâce à son cerveau capable d’abstraction, a presque aussitôt cherché à le comprendre, cet Univers, à le décrypter, à l’interpréter. Pour cela, il devait identifier les grandes lois physiques et mathématiques qui expliquent son agencement. Durant des siècles, s’affranchissant peu à peu des obscurantismes et des préjugés, les scientifiques ont bâti des théories, accumulé des expériences, édifié des modèles, amassé patiemment certitudes et probabilités. Après Newton, c’est Albert Einstein qui, le premier, réussit à expliquer de façon convaincante l’une des quatre grandes forces de notre environnement, la gravitation, dans sa théorie de la relativité générale (voir sujet : théorie de la relativité générale). Les trois autres forces fondamentales (interaction faible, interaction forte et électromagnétisme : voir sujet : les constituants de la matière) furent unifiées par la mécanique quantique (voir sujet : mécanique quantique) quelques années plus tard. Tout est donc parfait ? Hélas non car ces deux théories, la relativité einsteinienne et la physique des quantas, sont complètement incompatibles... Or, si l’on veut vraiment connaître les mécanismes régissant l’Univers dont nous faisons partie, il est indispensable d’avoir une explication physique globale : il est en effet peu probable que l’Univers réponde à des lois différentes selon l’endroit ou les niveaux d’où on l’observe. Vers la fin du siècle dernier, un certain nombre de théories unificatrices ont vu le jour et la plus prometteuse d’entre elles semble être la théorie des cordes.

Genèse de la théorie des cordes

     Vers 1950, il n’était toujours pas possible de comprendre vraiment la physique des particules plus petites que l’atome, particules que l’on appelle des hadrons (il s’agit en fait de particules élémentaires comme les quarks constituant protons et neutrons eux-mêmes formant le noyau des atomes, les gluons responsables de l’interaction forte entre les quarks, etc.). Tout ce petit monde fort complexe est bien régi par la mécanique quantique mais sans que l’on ait d’explication véritable sur leurs interactions. Il faudra attendre 1973 et l’arrivée d’une nouvelle théorie, la chromodynamique quantique, pour y voir un peu plus clair mais de façon encore partielle.

     C’est environ 10 ans plus tard que l’on entend réellement parler de la théorie des cordes qui se propose – puisque les particules restent en grande partie mystérieuses – de les penser autrement : dans cette théorie, les entités basiques de la physique, ces fameuses particules subatomiques, ne sont plus considérées comme des objets ponctuels mais comme des cordes infinitésimales formant des boucles qui vibreraient en possédant une tension, tout comme un élastique dont la tension s’accroit au fur et à mesure qu’on l’étire. Rappelons-nous que chaque particule subatomique est identifiée par son spin, c'est-à-dire une caractéristique particulière qui lui est propre (comme, également, la charge électrique ou la masse) représentant ici l’énergie cinétique de la particule tournant sur elle-même autour d’un axe. La théorie des cordes prétend que ce sont ces vibrations à des fréquences diverses qui expliquent les variations de spins observées et donc les différentes particules. Du coup, les divers types de cordes et leurs vibrations multiples seraient à l’origine de toutes les particules élémentaires de notre univers. Bien entendu, la théorie s’appuie sur de savantes équations mathématiques (notamment la théorie des surfaces de Riemann) que je serais bien en peine ici d'expliquer… Quoi qu’il en soit, il s’agit là d’une remise en cause complète, et de notre perception, et de notre compréhension de la physique subatomique.

Une théorie séduisante mais pas encore démontrée

     Les spécialistes de la question le disent et on les croit : pour permettre l’unification des deux grandes physiques, la théorie des cordes doit satisfaire à trois conditions principales :

    1. toutes les particules subatomiques sans exception doivent entrer dans le cadre de la théorie ;

     2. la théorie doit parfaitement décrire la gravitation 

     3. ce qui entraîne le fait qu’il doit s’agir d’une théorie géométrique, seul moyen de prendre en compte  cette gravitation.

     Que disent les équations de la théorie des cordes ? Que les trois conditions qu’on vient de voir lui sont tout à fait accessibles… à la condition qu’on considère un espace-temps à au moins dix dimensions ! Ce qui pose problème puisque dans notre univers (en tout cas pour sa partie visible) il n’existe que quatre dimensions ! L’ennui est que lorsqu’on revient à quatre dimensions, l’unicité de la théorie si intéressante disparaît… La cohérence mathématique de la théorie exige donc plus de dimensions qu’il ne semble y en avoir dans notre monde : ses partisans nous affirment que, en réalité, ces dimensions supplémentaires existent bel et bien mais qu’elles sont enroulées au niveau microscopique, un niveau des millions de fois inférieur à celui de l’atome. Cette affirmation doit être évidemment prouvée avant de valider la théorie : le retour (mathématique) à un espace-temps à quatre dimensions est donc le grand défi que s’efforcent de vaincre les chercheurs actuels de la théorie des cordes.

Une théorie unificatrice et ses conséquences

     Une chose est en tout cas certaine : la théorie des cordes (qui est en fait l’amalgame de plusieurs théories prenant en compte des cordes de natures différentes) semble être l’entreprise conceptuelle actuellement la plus à même d’associer la gravitation à la mécanique quantique et il est donc normal que cette aventure – extraordinairement théorique – passionne non seulement les chercheurs de physique fondamentale mais également les mathématiciens… et les astronomes.

     D’ailleurs, comme le lecteur l’aura certainement remarqué, j’ai fait figurer ce sujet non pas en physique (comme la mécanique quantique, par exemple) mais dans la catégorie des sujets d’astronomie et il y a de bonnes raisons à cela : de grandes interrogations existent toujours sur des phénomènes astronomiques importants tout simplement parce qu’on ne sait pas associer mécanique quantique et relativité générale.

          *  C’est par exemple, le cas des trous noirs. Voilà des objets dont on connait l’existence et dont on peut même mettre en évidence la réalité (du moins de façon indirecte puisque, par sa seule présence, un trou noir modifie la partie d’univers qui l’entoure) mais qu’on ne sait pas expliquer complètement (voir sujet : trous noirs).

      Pour mémoire, je rappelle qu’un trou noir est le stade évolutif terminal de très grosses étoiles : en effet, si la masse d’une étoile dépasse quarante fois celle de notre Soleil (MS), son noyau résiduel dégénéré peut dépasser les trois MS. En pareil cas, les forces de répulsion des composants atomiques dégénérés (neutrons et protons) ne peuvent plus s'opposer à la compression des forces gravitationnelles et la matière s’écrase sur elle-même sans que plus rien ne s’y oppose : on aboutit alors à la formation d’un trou noir dont la principale caractéristique est qu’aucune matière – pas même la lumière – ne peut s’en échapper. Avant l’anéantissement, on peut observer le disque d’accrétion, sorte de dernier ballet de la matière appelée à disparaître et qui dessine les abords du trou noir par l’échauffement gigantesque qu’elle subit (ce qui permet de repérer le phénomène). Puis, cette matière est absorbée par le trou noir, sans espoir de retour, et le moment où elle bascule vers l’inconnu se situe à ce que l’on nomme l’horizon du trou noir, dernière ligne encore visible avant le néant. Que devient-elle ensuite ? Ni la physique quantique, ni bien sûr la relativité ne peuvent répondre. Voilà donc un domaine où la théorie des cordes pourrait nous rendre de sérieux services…

          * Un autre sujet – et non des moindres – qui passionne les astronomes, notamment ceux qui s’intéressent à la cosmologie, est le Big-Bang. Ou, pour être encore plus général, le début de notre univers. Dans le sujet dédié (voir : Big bang et origine de l’Univers), nous avions vu que, en remontant le temps jusqu’aux origines, à partir d’un certain moment appelé temps de Planck, très précisément à 10^-43 seconde après le début, les quatre forces fondamentales que nous avons évoquées plus haut sont fusionnées en une force unique, la supergravité. A cet instant, très court mais si important, les lois de la physique classique ne s’appliquent plus (ou pas encore). La théorie des cordes serait elle susceptible de nous aider à comprendre comment tout a commencé ?

     D’autres problèmes d’astronomie restent – si j’ose dire – en souffrance et on aimerait bien une théorie (en fait un ensemble de lois mathématiques conduisant à un modèle qu’il serait possible d’expérimenter par la suite) nous permettant de les expliquer…

La théorie des cordes a-t-elle un intérêt autre que… théorique ?

     La réponse est à l’évidence oui ! S’acharner à unifier des théories physiques compliquées en une théorie encore plus complexe ne relève pas d’un simple jeu mathématique pour quelques initiés, fussent-ils géniaux. Les retombées d’une telle entreprise, si elle devait aboutir, seraient considérables. Evidemment, comme on vient de le voir, ou pourrait en apprendre énormément sur notre Univers (et donc sur nous-mêmes) mais pas seulement. Il suffit de se rappeler combien la physique quantique a été décriée à ses débuts : certains scientifiques criaient à la mystification, ne pouvant comprendre comment on pouvait tirer des lois à partir du pur hasard ; d’autres riaient à la lecture de qu’ils considéraient comme un salmigondis. D’autres encore, plus sages peut-être comme le grand Einstein lui-même, préféraient attendre dans une prudente réserve teintée de scepticisme. Et pourtant ! Sans mécanique quantique, pas de contrôle de l’électron et donc ni transistors, ni informatique. Pas non plus de supraconduction et d’imagerie médicale de type résonnance magnétique nucléaire (IRM). Sans elle, on ne saurait toujours pas contrôler la lumière pour réaliser les faisceaux laser de nos lecteurs de DVD. Même chose pour les centrales nucléaires… La mécanique quantique, si mal comprise car si imprévisible et apparemment si contraire à notre logique, a transformé notre monde.

      Si l’on arrive à écrire des équations universelles de la théorie des cordes et à formaliser la théorie unificatrice, les conséquences pratiques – impossibles évidemment à imaginer aujourd’hui - en seront certainement considérables. Au-delà de la satisfaction d’avoir compris un peu plus notre univers, les transformations de notre quotidien seront telles qu’il faut souhaiter de l’intuition, beaucoup de patience et peut-être un peu de chance à ces chercheurs si particuliers.

Images

1. galaxie NGC 4945 (sources : www.eso.org)

2. constituants de l'atome (sources : abyss.uoregon.edu)

3. cordes (sources : hypersite.free.fr/)

4. univers multidimensionnel (sources : techno-science.net) 

5. dessin d'un trou noir (sources ; paturage.files.wordpress.com)

6. simulation des premiers instants de l'Univers (sources : irfu.cea.fr/)

7. homecinema (sources : le-showroom.ecranlounge.com)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés :  relativité générale - mécanique quantique - hadron - quark - gluon - chromodynamique quantique - trou noir - Big bang - supergravité  - temps de Planck - théorie unificatrice de la physique - théorie des cordes (compléments)

  (les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Articles connexes sur le blog :

* Big bang et origine de l'Univers

* théorie de le relativité générale

* mécanique quantique

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 Mise à jour : 8 mars 2023

Pour admirer les étoiles, la recette est simple : il faut choisir une belle nuit sans Lune et sans nuages et s’installer confortablement dans un coin sombre, à l’abri des lueurs dérangeantes de la civilisation. Durant cinq à six minutes environ on laisse alors ses yeux s’habituer peu à peu à l’obscurité. De cette noirceur où flottaient difficilement quelques étoiles émergent progressivement des millions de points lumineux comme autant de diamants scintillants… Des millions ? Non, seulement quelques milliers, même pour l’œil le mieux aguerri, mais l’impression de foisonnement de ces minuscules lumières est si impressionnante que l’on se sent incroyablement petit sur notre coin de Terre.

Beaucoup d’anciens pensaient d’ailleurs qu’une sphère de velours sombre entourait notre planète en un écrin constellé de pléiades de pierres précieuses auxquelles, par leur proximité apparente, ils appliquaient des géométries compliquées en rapport avec leurs croyances d’éternité. On sait aujourd’hui que ces figures, les constellations, ne sont que des constructions imaginaires uniquement reliées par leurs luminosités relatives… Mais le bestiaire cosmique ainsi inventé est si riche que, encore de nos jours, on y fait souvent référence.

Si, au moyen d’un outil amplificateur comme, par exemple, une paire de jumelles, on tente d’explorer un par un ces astres lointains, il nous apparaît subjectivement qu’ils ne sont pas tous identiques  et que leur éclat semble variable. Et, en fait, leurs aspects sont dissemblables car, c’est vrai, les étoiles nous parlent : elles chantent et leurs mots sont en couleur.

 Des interrogations anciennes

Deux siècles avant J.C. les savants grecs se posaient déjà des questions sur la répartition des astres dans le ciel. C’est à Hipparque (vers 190 av. J.C. - 120 av. J.C.) que revint le mérite de chercher à classer les étoiles en 6 grandeurs par ordre d’éclat décroissant (étoiles de première grandeur pour les plus brillantes jusqu’à la sixième grandeur pour les moins lumineuses). Toutefois, ce classement pouvait prêter à confusion puisque se rapportant à la taille de l’étoile. On abandonna donc cette approche pour parler de magnitude apparente, des magnitudes séparées par un écart de brillance d’un échelon de 2,5. En d’autres termes, une étoile de magnitude 2 est 2,5 fois plus brillante qu’une étoile de magnitude 3 ce qui revient à dire que plus la magnitude d’une étoile est élevée, moins elle est brillante.

Ce système de magnitude apparente est trompeur car il ne correspond pas à la luminosité véritable de l’astre étudié en raison de sa distance qui est variable par rapport à la Terre : un astre peu lumineux peut, en réalité, l’être beaucoup mais c’est son éloignement qui le rend difficile à discerner. On introduisit en conséquence la notion de magnitude absolue en imaginant l’éclat de l’étoile observée si, comparée à ses sœurs, elle se trouvait à la même distance de la Terre que toutes les autres. On décida de retenir le chiffre de 10 parsecs (32,61 années-lumière) comme étalon standard de distance.

C’était assurément un progrès mais on décida de compléter le calcul avec celui de la couleur des étoiles qui donne, comme on le verra, une indication sur la chaleur de leur surface. On obtint ainsi les caractéristiques spectrales de chaque groupe d’astres, une classification encore en usage aujourd’hui, classification codifiée au début du XXème siècle par deux astronomes américains de l’observatoire d’Harvard, Antonia Maury (1866-1952) et Annie Cannon (1863-1941). Ajoutons que, pour tenir compte des différences de luminosité et de taille, les astronomes décidèrent de classer les astres selon leur éclat dans chacun des groupes identifiés.

Aujourd’hui, on sait donc plutôt bien « classer » réellement les étoiles d’après leurs caractéristiques : taille, éloignement, éclat et couleur. Mais justement pourquoi nos amies les étoiles peuvent-elles être de couleurs différentes ?

La couleur des étoiles

De la même façon que les étoiles sont de taille variable, elles ne sont pas toutes de la même couleur et cette couleur dépend de leur température et de leur âge. Au premier abord, c’est vrai, elles semblent blanches mais, comme nous le remarquions précédemment, si l’on observe plus attentivement chacune d’entre elles, on retrouve des teintes très souvent différentes : bleu, blanc, rouge, orangé, blanc-vert parfois et, d’une façon plus générale, nombre de nuances intermédiaires. Longtemps, cette disparité est restée sans explication et ce n’est qu’au début du XXème siècle qu’on a pu mieux la comprendre en définissant la physique du corps noir. Qu’est-ce qu’un corps noir, me direz vous ? Il s’agit en fait d’un objet idéal qui absorbe toute l’énergie électromagnétique sans n’en rien retransmettre : puisque la lumière est une onde électromagnétique, elle sera donc totalement absorbée par un corps noir. Considérons à présent une étoile comme un corps noir (un corps noir – c’est parfois difficile à saisir – n’est pas forcément noir mais seulement un objet qui ne réfléchit rien) : les courbes lumineuses émises par l’étoile elle-même lui sont donc propres, intégralement créées par elle. Puisque que l’on a remarqué que le spectre des étoiles était très semblable aux courbes de radiations d’un corps noir porté à différentes températures, la conclusion s’impose d’elle-même : les variations de couleur des étoiles sont la conséquence directe de leur température de surface et uniquement de cette température.

Plus une étoile sera chaude, plus elle aura un spectre important dans le bleu. A l’inverse, une étoile plus froide émettra dans le rouge et sera perçue comme telle.

Revenons un instant sur ces questions basiques d’optique physique : le spectre « continu visible » s’étend de 400 nm à 800 nm (nm signifiant nanomètre soit le milliardième du mètre). Vers 400 nm, on observe une couleur bleue (en dessous, c’est l’ultraviolet, non visible par l’œil humain mais accessible à l’œil de l’abeille) tandis que vers 800 nm on est dans la couleur rouge (et, au-delà dans l’infrarouge non visible). L’étude du spectre stellaire donnera donc une longueur d’onde dominante associée à la couleur et caractérisant la température de l’étoile étudiée. Prenons quelques exemples :

* Bételgeuse (alpha orionis) est une supergéante rouge de magnitude 1, située dans la constellation d’Orion à environ 500 années-lumière de la Terre, et accessoirement la 9^ème plus brillante étoile du ciel. Mille fois plus grosse que le Soleil, elle rayonne comme 100 000 Soleils réunis. Bien que jeune, elle est en fin de vie et explosera dans quelques milliers d’années en supernova. Son cœur s’effondre lentement, provoquant une gigantesque expansion de son rayon et donc la baisse de sa température de surface ce qui explique sa couleur rouge.

* Rigel (beta orionis) est une supergéante bleue qui fait également partie de la constellation d’Orion et est située à plus de 900 années-lumière de la Terre (ce qui, au passage, démontre l’absurdité de la notion de constellation). Septième étoile la plus brillante du ciel, elle est bien plus petite que Bételgeuse (84 fois la taille du Soleil) ce qui explique sa chaleur de surface notoirement plus élevée et donc sa belle couleur bleue. Pour l’anecdote, remarquons que cette supergéante fait partie d’un système ternaire puisque deux autres étoiles, Rigel B et Rigel C, gravitent avec elle en un système compliqué. Elle aussi a une espérance de vie courte et explosera probablement en un trou noir.

* le Soleil : la dominante spectrale de notre Soleil se situe vers 500 nm et donc dans le vert. Toutefois, l’ensemble de son spectre lui confère une couleur blanche (tirant légèrement sur le vert) qu’on lui connait… en dehors de la Terre ! En effet, depuis notre planète, bien que sa lumière soit blanche, en raison de la plus grande diffusion du bleu (d'une longueur d'onde de 400 nm) dans l'atmosphère que du rouge (longueur d'onde 800 nm), il apparaîtra jaune (et le ciel bleu).

Les astronomes se sont donc retrouvés face à un véritable kaléidoscope de couleurs et, dès le XXème siècle, ils ont cherché à y mettre un peu d'ordre. Première méthode logique retenue : classer les étoiles selon les éléments chimiques identifiés à leurs surfaces. Ils ont ainsi répertorié sept groupes distincts qu'ils ont ensuite décliné en ordre décroissant de température et désigné par les lettres O, B, A, F, G, K et M. Difficile de s'en rappeler ? Les scientifiques américains ont proposé l'amusant petit moyen mnémotechnique suivant : " Oh Be A Fine Girl, Kiss Me ! "...

De ce fait, une étoile comme Lambda d'Orion, une géante bleue dont la température de surface atteint les 35 000°, est classée dans le groupe O tandis que le Soleil (naine jaune à la température de surface égale à 5 000°) est de classe G et les étoiles rouges comme Antarès (3 600°) sont rassemblées dans le groupe M.

Toutefois - rien n'est jamais simple - tout cela était encore un peu imprécis et, du coup, chaque groupe a été subdivisé en 9 sous-groupes de telle façon que le Soleil est en fait une étoile classée de type G2 (plus froide qu'une G1 mais plus chaude qu'une G3)... Comme on va le voir, cette classification, certes pratique, n'est pas la seule.

Le fait de connaître la couleur (et donc la chaleur) d’une étoile corrélée à sa taille permet de connaître sa durée de vie, le stade où elle se trouve et, bien sûr, la manière dont elle mourra.

La vie des étoiles

On peut également classer les étoiles selon les différents stades de leurs existences. Dans un sujet précédent (voir : mort d'une étoile), j’avais décrit les différents types d’étoiles et leur avenir : en voici les principales lignes (pour plus de détails, on se reportera au texte indiqué).

* les étoiles peuvent être (sommairement) classées de la façon suivante :

a. les naines rouges, soit environ 80% des étoiles : elles sont relativement petites (moins de 0,8 masse solaire) et d’une grande longévité ; si grande même que, depuis le Big bang elles n’ont pas encore eu le temps de mourir. Leur chaleur est faible ce qui explique leur couleur. A titre d’exemple, Proxima du Centaure, notre plus proche voisine, est l’une de ces naines rouges.

b. les naines jaunes (10% des étoiles) : plus chaudes que les précédentes, leur masse est comprise entre une et huit masses solaires et c’est typiquement le cas de notre Soleil. Leur espérance de vie est encore respectable, environ 10 milliards d’années. Lorsque tout leur carburant nucléaire sera épuisé, elles se transformeront en

c. géantes rouges : la dilatation considérable à ce stade des couches externes de l’étoile combinée à l’effondrement de son cœur explique la couleur rouge de l’enveloppe stellaire, plus froide car à distance du centre.  Le stade ultime de l’évolution de ce type d’étoile, lorsque que ne restera plus que son cœur nu (l’enveloppe s’étant dispersée dans l’espace) est celui d’une…

d. …naine blanche : de la taille d’une planète, cet astre est composé de manière dégénérée hyperdense, incapable d’entretenir la moindre réaction thermonucléaire. Il s’agit donc déjà d’un cadavre d’étoile qui va progressivement s’éteindre au fil de millions d’années pour devenir une

e. naine noire : ces restes d’étoiles sont probablement nombreux dans l’univers mais, par définition, ils ne sont pas visibles.

f. les supergéantes bleues sont des étoiles jeunes massives (plus de 10 masses solaires) et extraordinairement lumineuses. Compte tenu de leur taille, leur espérance de vie est courte ; elles finissent par épuiser rapidement leur carburant nucléaire pour devenir des

g. supergéantes rouges (toujours par le même mécanisme d’expansion qui refroidit leurs couches externes) et explosent en supernovas (voir le sujet novas et supernovas), voire même en trous noirs (voir le sujet trous noirs) pour les plus massives d’entre elles Elles ne représentent que quelques pourcents de l’ensemble.

On peut donc réunir ces différentes populations d’étoiles dans un diagramme spécifique (diagramme HR) bien qu’il soit parfois difficile de déterminer précisément les caractéristiques de chacune, ne serait-ce que parce que les observations sont rendues malaisées lorsqu’existent des systèmes multiples d’étoiles (environ 50% des cas).

* Le diagramme HR dit de Hertzsprung-Russel permet de corréler luminosité et chaleur des étoiles et donc de définir leurs différentes populations et établir ainsi l’évolution stellaire. On peut alors constater que la majorité des étoiles se situe sur une ligne du diagramme appelée séquence principale où ces astres passeront la plus grande partie de leur vie tandis que ne s’en échappent que les atypiques comme les supergéantes ou ceux qui sont en fin de vie.

Evolution stellaire

Les étoiles, comme toutes choses en ce bas monde, ont une évolution – on pourrait dire une vie – parfaitement prévisible. Leur aspect renseigne ceux qui se donnent la peine de les observer. Leurs mots sont en couleur, disais-je en préambule, et ces mots nous expliquent l’univers dans lequel nous vivons. Ils nous font notamment comprendre combien le Soleil, qui est une étoile bien banale mais si particulière pour nous, est important puisqu’il autorise la vie – notre vie - sur cette planète.

Images :

 1. l'amas ouvert NGC 3603 (sources : philippe.boeuf.pagesperso-orange.fr )

2. Hipparque (sources : www.dimensions-math.org)

3. Aldébaran et Sirius (sources : www.webastro.net) 

4. Bételgeuse et Rigel (sources : www.webastro.net) 

5. la Croix du Sud (sources : http://antwrp.gsfc.nasa.gov )

6. Beta Cephi, une binaire bleue (sources : http://a.gerard4.free.fr)

7. diagramme de Hertzsprung-Russell (sources : http://fr.wikipedia.org)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Brêve : la couleur des étoiles

     Dans l'hémisphère boréal, les nuits de juin sont les plus courtes. Le Soleil rasant l'horizon nord, le crépuscule s'étend dans la soirée, et les étoiles se font attendre...

     Les plus brillantes, Arcturus du Bouvier, l'Epi de la Vierge et Véga de la Lyre, apparaissent entre 22h30 et 23 heures. C'est entre chien et loup, lorsque le bleu du ciel s'assombrit, qu'il est le plus facile d'observer la couleur des étoiles. A l'oeil nu, Véga apparaît d'un blanc éclatant, Arcturus franchement orangée et l'Epi légérement bleuté. Si leur couleur diffère, c'est parce que leur surface de gaz n'est pas porté à la même température : de 4600°C pour Arcturus, la plus froide, donc la plus rouge, à 20000°C pour l'Epi.

(Science & Vie, n° 1125, juin 2011, p. 149)

Mots-clés : Hipparque - magnitude - corps noir - Bételgeuse - Rigel - naine rouge - naine jaune - géante rouge - naine blanche - naine noire - supernova - trou noir - supergéante rouge - supergéante bleue - digramme de Hertzsprung-Russell

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Articles connexes sur le blog :

* mort d'une étoile

* la mort du système solaire

* céphéides

* novas et supernovas

* le mystère Bételgeuse

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 Mise à jour : 5 mars 2023

     Situé en périphérie de la Voie lactée qui est une galaxie parmi des milliards d’autres, notre Soleil est une étoile banale de type G2, autrement dit une naine jaune. De telles étoiles représentent environ 10% de toutes celles de l’Univers et leur durée de vie est assez longue, environ 10 milliards d’années. Le Soleil est donc à peu près à la moitié de sa vie puisqu’il existe depuis environ 4,5 milliards d’années ce qui explique, au passage, qu’il se trouve sur la branche principale du diagramme de Hertzsprung-Russell (voir le sujet : mort d’une étoile). Mais comment s’est-il créé (et avec lui son cortège de planètes) ? C’est une question posée depuis la plus haute antiquité et qui, comme on l’imagine, a entraîné de multiples réponses… plus ou moins crédibles !

 Dans le passé

Longtemps traité de façon plutôt romanesque et presque toujours anthropocentrique (voir le sujet : la Terre centre du Monde), il faudra attendre la publication par Isaac Newton (1643-1727) de ses lois sur la gravitation universelle pour s’intéresser de façon plus convaincante au système solaire. Et encore : durant de nombreuses années par la suite, les polémiques furent âpres pour s’affranchir des préjugés et raisonner de façon plus scientifique…

C’est Emmanuel Kant (1724-1804), le célèbre philosophe allemand, qui, le premier, avança une théorie relativement moderne. Son idée centrale était que les débuts du système solaire se firent sous la forme d’un nuage de particules qui, régies par l’attraction gravitationnelle, finirent par s’agréger progressivement pour former des masses de plus en plus grosses aboutissant en fin de compte au Soleil et aux planètes que nous connaissons. Puisqu’il n’était ni physicien et encore moins mathématicien, il ne pouvait apporter d’explication sur le fait que les planètes – toutes situées dans un même plan – tournaient dans une même direction autour du Soleil. Il restait également muet sur les satellites de ces mêmes planètes.

Une quarantaine d’années plus tard le mathématicien français Laplace (1749-1827) apporta quelques approfondissements en imaginant que le Soleil, se refroidissant en rayonnant sa chaleur, avait fini par se contracter. Or, selon la loi de conservation du moment angulaire, cette contraction avait forcément dû s’accompagner d’une augmentation de sa vélocité, à la façon d’un patineur qui replie ses bras pour tourner plus vite sur lui-même. De ce fait, selon Laplace, cette accélération entraîna l’éjection de matière contrebalancée par les forces d’attraction gravitationnelle (avec la formation successive de plusieurs anneaux concentriques suivant la rétraction du Soleil naissant) et c’est à l’exacte distance où ces deux forces s’équilibraient que les planètes furent créées.  Il répondait ainsi au sens de rotation des planètes dans un même plan… mais pas aux déplacements excentriques des astéroïdes ni aux orbites rétrogrades de certains lunes.

Durant près de cent ans, cette théorie dite « de la nébuleuse solaire » de Kant-Laplace parut satisfaire les scientifiques mais au début du XXème siècle, elle fut finalement jugée insuffisante.

Conception classique

James Clerk Maxwell (1831-1879), physicien écossais de grand renom, fut le premier à critiquer la théorie de Kant-Laplace en démontrant que les planètes n’auraient pas pu être créées de cette façon en raison des forces de rotation différentielle qui l’auraient empêché. De plus, le mouvement angulaire du Soleil paraissait trop faible pour être en accord avec la théorie. On évoqua alors la présence d’une étoile voisine qui aurait attiré de grandes masses de matière (les planètes) en dehors de notre étoile par un « effet de marée » (théorie de la « quasi-collision ») mais cette hypothèse montrait également ses limites…

La théorie de la formation du système solaire fut donc repensée et affinée : on retint la notion de disque d’accrétion avec une matière se condensant progressivement pour donner le soleil, masse centrale suffisamment importante pour provoquer un « allumage nucléaire », et, à sa périphérie, des planétoïdes devenus secondairement de vraies planètes. Ces dernières se divisent en deux groupes :

*  les planètes telluriques (comme la Terre) attirant préférentiellement les matières rocheuses et proches du Soleil

* tandis que, plus éloignées, les planètes gazeuses se composent de gaz légers (hélium, hydrogène, etc.), le Soleil n’ayant pas pu les assimiler en raison de leur trop grande distance. La théorie précise même que si la quantité de gaz avait été plus importante, une autre étoile aurait pu voir le jour transformant le système solaire en un système binaire comme il en existe tant dans l’Univers (environ 50%).

Les planètes se sont évidemment transformées avec le temps mais pas les astéroïdes, circulant entre les orbites de Mars et Jupiter, qui demeurent des fragments de matière inchangés depuis la naissance du système d’où leur prodigieux intérêt scientifique.

Malheureusement, depuis quelques années, l’observation de planètes extrasolaires (voir le sujet : planètes extrasolaires) a permis la mise en évidence de planètes géantes gazeuses très proches de leurs étoiles. La théorie classique ne sait pas répondre à ce fait d’observation…

Plus récemment

Nous venons d’évoquer les météorites témoins de l’origine : c’est au sein de certains d’entre eux qu’a été mise en évidence, dans les années 70, la présence de magnésium 26. Or cet élément provient de l’aluminium 26, son précurseur, dont on sait que la demi-vie est plutôt courte, environ 700 000 ans. Comment cet élément a-t-il pu se trouver au début du système solaire quand on sait que le Soleil naissant avait une masse insuffisante pour le produire ? D’une provenance extérieure, bien sûr, avancèrent certains astronomes. Ils évoquèrent donc une supernova ayant explosé à proximité du nuage protosolaire au moment où ce dernier commençait à se condenser. Mais, à l’analyse, le scénario ne tient pas : en effet, en pareil cas, il aurait fallu que cette supernova explose très près (environ une année-lumière) et, dans ce cas, le nuage présolaire en formation aurait été dispersé par le rayonnement ultraviolet intense de l’étoile… Retour à la case départ.

Récemment, un astronome français, Vincent Tatischeff, a proposé une solution élégante en évoquant le rôle possible d’une « étoile vagabonde ». Nous avons déjà évoqué, dans un sujet précédent (voir le sujet : étoiles doubles et système multiples), ces étoiles fugueuses (ou étoiles en fuite) que les anglo-saxons appellent des runaway stars. Il s’agit d’étoiles qui ont été « éjectées » de leur orbite naturelle par la présence d’un troisième corps excitateur ou lors de la confrontation brutale entre une étoile à neutrons et sa compagne. Quelle qu’en soit la cause, l’étoile devenue vagabonde est expulsée à grande vitesse dans le vide interstellaire. Après quelques millions d’années d’une course violente, elle devient souvent ce que l’on appelle une étoile de type Wolf-Rayet qui éjecte de grandes quantités de matière dans l’espace (notamment l’aluminium 26 évoqué plus haut) avant d’exploser en supernova. Une telle étoile aurait pu « ensemencer » le nuage en formation du système solaire avant d’aller mourir plus loin. Cette fois, le scénario semble plus convaincant mais il y a tout de même un hic : la survenue d’une telle éventualité est très rare. Pas impossible mais très rare. Dès lors, pourquoi faudrait-il que, parmi des milliards d’étoiles créées (et qui continuent à l’être), seul (ou presque) notre Soleil ait subi une telle origine ? Les scientifiques, on le sait, n’aiment guère expliquer des phénomènes somme toute banals, par une succession d’événements plutôt improbables…

une explication encore plus convaincante 

     Plus récemment encore, en 2012, une explication plus complète a été avancée par Matthieu Gounelle (Museum national d'histoire naturelle). Ce cosmologiste nous décrit une histoire qui prend enfin en compte les anomalies observées dans les analyses chimiques des météorites, ces témoins de la naissance de notre système solaire, notamment l'abondance anormale de magnésium 26 citée plus haut. Pour ce scientifique, l'histoire de la formation du Soleil peut se résumer en quatre phases :

     1. il y a environ 4,6 milliards d'années, un immense nuage de gaz et de poussières s'effondre sous l'effet de la gravitation. Au centre de ce gigantesque tourbillon naissent plusieurs milliers d'étoiles;

     2. parmi ces étoiles, certaines sont massives et donc de courte durée de vie (quelques millions d'années) : ce sont elles qui ensemmencent l'espace avec des élements radioactifs, notamment du fer 60 dont la présence n'avait jusque là été prise en compte par aucun scénario;

     3. une deuxième génération d'étoiles apparaît alors, répandant autour d'elles ce fameux aluminium 26 à la présence si surprenante.

     4. autour d'une étoile massive de cette deuxième génération, une enveloppe de fer 60 et d'aluminium 26 se forme et finit par s'effondrer sur elle-même donnant naissance à une troisème génération d'une centaine d'étoiles parmi lesquelles notre Soleil. Le temps passant, après plusieurs millions d'années, l'étoile massive proche du Soleil disparaît dans une explosion gigantesque tandis que les "soeurs" de notre étoile se dispersent progressivement. Notre Soleil reste seul avec son cortège d'astéroïdes qui portent encore les traces de sa création sous la forme des dérivés radioactifs qu'on vient d'évoquer.

      Dès lors, dans un tel scénario, les "anomalies" radioactives s'expliquent sans que l'on ait recours à l'étoile fugitive évoquée plus haut dans le sujet et dont la présence résultait d'une coincidence un peu trop facile...

         Cette explication est-elle définitive ? L'avenir nous le dira sans doute mais elle a le mérite d'être complète.

     On comprend donc que si la formation de notre système solaire commence à être relativement comprise, il reste encore bien des incertitudes. L’arrivée d’instruments d’observation (spatiaux et terrestres) toujours plus performants dans les toutes prochaines années devrait nous renseigner davantage : l’observation encore débutante des planètes extrasolaires de même que celle des pépinières d’étoiles nous apporteront vraisemblablement bien des éléments qui manquent encore. En effet, s’il est une chose dont on est sûr, c’est que les mêmes phénomènes se répètent selon des lois physiques immuables. Dès lors, il suffit d’observer le ciel plus ou moins lointain pour comprendre ce qui s’est passé chez nous dans le passé.

Images

1. le disque protosolaire (sources : http://www.open.ac.uk)

2. formation des planètes (sources : http://astrosurf.com/)

3. rétraction progressive du Soleil (sources : http://users.skynet.be)

4. disque d'accrétion protosolaire (sources : http://i14.servimg.com)

5. la nébuleuse du Crabe (sources :  techno-science.net)

6. étoile de type Wolf-Rayet (sources : www.infosphere.be)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : naine jaune - diagramme de Hertzsprung-Russel - Isaac Newton - Emmanuel Kant - gravitation - Laplace - moment angulaire - astéroïdes - James Clerk Maxwell - disque d'accrétion - planète tellurique - planète gazeuse - système binaire (d'étoiles) - planètes extrasolaires - supernova - étoiles fugueuses/ réf. en français (run away stars/réf. en anglais) - étoile de Wolf-Rayet

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog :

 1. place du Soleil dans la Galaxie

 2. la Terre, centre du Monde

 3. la querelle sur l'âge de la Terre

 4. planètes extrasolaires

 5. l'énigme de la formation de la Lune

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 Mise à jour : 6 mars 2023

« Il est donc d'innombrables soleils et un nombre infini de terres tournant autour de ces soleils, à l'instar des sept "terres" [la Terre, la Lune, les cinq planètes alors connues : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne] que nous voyons tourner autour du Soleil qui nous est proche. » (Giordano Bruno, L'Infini, l'Univers et les Mondes, 1584).

Giordano Bruno était un moine dominicain qui, à la suite des travaux de Copernic, s’était persuadé que l’Univers était infini et peuplé d’une multitude de soleils comme le nôtre, des étoiles entourées de planètes recelant peut-être la Vie. Déclaré hérétique par l’Inquisition, il fut, au terme d’un procès de huit ans, condamné à être brûlé vif en place publique le 17 février 1600. Il n’avait qu’un seul tort : celui d’avoir eu raison trop tôt car, depuis la première découverte de 1995, on sait aujourd’hui que des planètes extérieures au système solaire, il y en a beaucoup : peut-être plus que d’étoiles qui se comptent pourtant en milliards de milliards… Le problème est qu’il est effectivement difficile, même pour l’astronomie moderne, de les observer. On en déjà répertorié plus de mille sept cent à ce jour (mi-2014) et autant restent à confirmer.

 Méthodes d’observation

Observer une étoile plus ou moins lointaine est facile avec les télescopes modernes même s’il ne s’agit que de celles de notre propre galaxie. Identifier le minuscule point sombre susceptible de se projeter sur la sphère aveuglante d’un soleil même peu intense est une autre paire de manches : c’est là tout le défi que se sont fixés certains astronomes recherchant systématiquement la présence indirecte de ces minuscules objets (par rapport à leurs étoiles) et cette quête a fini par payer. Comment s’y sont-ils pris ?

Identifier une planète extrasolaire est, on vient de le dire, extrêmement ardu car la distance qui nous sépare de l’étoile observée est infiniment plus grande que celle qui existe entre l’éventuelle planète et son soleil. Le pouvoir séparateur de nos instruments ne permet guère de telles observations (il faut se souvenir qu’une planète n’émet pas de lumière…). Il est donc nécessaire d’avoir recours à des méthodes indirectes qui sont principalement au nombre de quatre.

*  l’analyse de la vitesse radiale

Un système de planètes tourne autour du centre de gravité de son étoile et induit ainsi des variations infinitésimales de la vitesse radiale de l’astre par rapport à celle qui serait calculée si celui-ci était solitaire. Cette méthode – souvent difficile d’accès – sera d’autant plus performante que la vitesse radiale est élevée (planète proche de l’étoile) et la planète massive.

   *  les méthodes de transit

. soit indirecte ou transit primaire : elle est basée sur la variation de luminosité de l’étoile lorsque la planète passe devant elle. Outre le fait que cette variation est infime, encore faut-il que l’étoile soit vue par la tranche ce qui est peu souvent le cas : cette méthode, facile pour un télescope, n’a en définitive que peu identifié d’exoplanètes.

. soit semi-directe : lorsque la planète passe derrière son étoile, on peut théoriquement détecter la lumière qui provient de sa face alors éclairée qui se superpose à celle de l’étoile elle-même (on parle alors de transit secondaire)  et c’est avec le télescope spatial Hubble que cette technique a, pour la première fois, donné des résultats.

   *  l’observation directe

Comme l’astrométrie, méthode encore balbutiante, qui observe les éventuelles perturbations de la trajectoire d’une étoile sous l’effet de son système planétaire, l’observation directe par optique adaptative (corrections en temps réel) et coronographie (masques récréant des sortes d’éclipses artificielles) reste du domaine du futur (bien qu’elle ait eu déjà quelques succès) car elle exige encore bien des efforts pour le traitement des images.

   *  les lentilles gravitationnelles

Une lentille gravitationnelle (ou mirage gravitationnel) est un phénomène induit par la présence entre un observateur et la source observée d’un objet massif qui dévie les rayons lumineux : nous l’avons déjà évoqué (voir le sujet : relativité générale) car il s’agit là de l’illustration parfaite de la théorie d’Einstein sur la courbure de l’espace. Si une lentille (c'est-à-dire une étoile) passe devant une autre, la courbe de lumière de l’étoile en arrière-plan croît et décroît selon les lois très précises de l’optique gravitationnelle. Supposons alors qu’une seconde « lentille » (la planète extrasolaire) se trouve dans le même champ, la courbe change d’apparence : une minuscule anomalie lumineuse va apparaître en surimpression. L’étude précise du temps de transit devant l’étoile et celle de la courbe lumineuse en résultant va permettre de reconstituer les caractéristiques de cette planète : sa distance à son soleil,  sa masse et la durée de son orbite, autant d’éléments qui permettront de dire si l’on a affaire à une planète géante gazeuse ou à une planète tellurique (comme la Terre), cette dernière éventualité étant, on l’imagine, bien plus passionnante.

Toutes ces méthodes d’observation, à des degrés divers et parfois combinées, ont permis de cataloguer avec certitude plusieurs milliers de planètes extrasolaires (5307 au 1er février 2023), le plus souvent massives et gazeuses (comme Jupiter) mais pas toujours comme on va le voir.

Un peu d’histoire…

C’est le 6 octobre (jour de la Saint Bruno !!!) 1995 que des astronomes de l’observatoire de Haute-Provence ont pour la première fois annoncé la découverte d’une planète en dehors du système solaire : elle tourne autour d’une étoile située dans la constellation de Pégase (Pegasi 51), à 48 années-lumière de nous, et a été mise en évidence par la méthode des vitesses radiales. Cette planète, gazeuse, de la moitié de la taille de notre Jupiter, présente la particularité d’être située très près de son étoile dont elle fait le tour en quatre jours (cette particularité poussa les astronomes à revoir leur conception de la formation des planètes gazeuses mais il s’agit là d’un autre problème). On la nomma Pegasi b selon un nouvel usage attribuant les lettres de l’alphabet en minuscule à ces planètes. Ce fut, évidemment, une « bombe » dans le petit univers de l’astronomie mais pas seulement car je me souviens très bien que les médias du monde entier en parlèrent abondamment.

D’autres découvertes suivirent très vite : celle de nombreuses géantes gazeuses, puis d’un « système » de plusieurs planètes comme celui d’Upsilon d’Andromède, située à 44 années-lumière (en fait un système binaire associant une naine jaune de type solaire et une petite naine rouge).

La première planète tellurique (c’est-à dire comparable à la Terre) est repérée en janvier 2006 : il s’agit de OGLE-2005-BLG-390L b, dans la constellation du Scorpion. Située à près de 21 000 années-lumière, elle fait environ 6 masses terrestres et se trouve à une distance de son étoile qui la situerait dans notre système entre Mars et Jupiter. Cette planète tourne autour de son soleil en 10 ans (car son étoile est très certainement une naine rouge moins massive que le Soleil) et elle est probablement composée de roches et de glaces. On se rapproche de plus en plus de l’aspect de notre planète…

… et un peu d’imagination

Nos observations n’en sont encore qu’au début mais on peut déjà imaginer ce que pourraient être quelques unes de ces planètes lointaines dont on ne savait rien il y a encore 15 ans. Voici quelques exemples.

*  Pollux b (HD 62509) : une planète proche de sa mort

Située à 34 années-lumière d’ici, dans la constellation des Gémeaux, l’étoile de cette planète, Pollux, est mourante : il s’agit d’une géante rouge qui, dans un ou deux millions d’années, va étendre son enveloppe gazeuse par bouffées successives jusqu’à vaporiser son système planétaire. Pollux b, planète géante gazeuse d’une taille trois fois supérieure à Jupiter, subira le sort qui est réservé à notre propre globe (voir : mort du système solaire) dans beaucoup plus longtemps…

*  HD 188753 A b, la planète aux trois soleils

Située dans la constellation du Cygne, à environ 150 années-lumière de nous, cette géante gazeuse tourne très près de son étoile, une naine jaune analogue au Soleil. Mais, fait plus surprenant, deux autres étoiles orangées liées en couple tournent également autour de l’étoile centrale. Un observateur présent sur HD 188753 A b verrait donc trois soleils se lever à l’horizon ! Son découvreur l’a baptisée Tatooine, faisant ainsi allusion à la planète (fictive) qui a vu l’enfance de Luke Skywalker dans la saga de la Guerre des Etoiles.

*  Gliese 876 d : une planète en incandescence

Située trop près de son étoile, dans la constellation du Verseau, cette planète, une des plus petites découvertes à ce jour, subit très vraisemblablement une température infernale (1500 à 2000°). Elle tourne autour de son soleil en 2 jours seulement ! A la chaleur doivent certainement s’ajouter des vents d’une puissance extraordinaire : on n’a pas vraiment envie d’y aller…

*  OGLE-05-390 L b : une autre Terre

Il s’agit d’une planète de type terrestre (nous l’avons déjà évoquée) qui tourne à 315 millions de km d’une naine rouge située dans la constellation du Scorpion. Rapportée à notre propre système, cela la placerait entre Mars et Jupiter et comme il s’agit d’une planète tellurique faite de roches et de glaces, peut-être nimbée d’une fragile atmosphère, on pourrait penser qu’il s’agit là d’une autre Terre… Hélas, son étoile, on l’a dit, est une naine rouge qui ne diffuse que bien peu de chaleur. Du coup, OGLE-05-390 L b est un monde glacé dont la température se situe autour de – 200°.  On peut donc imaginer des montagnes et des vallées désolées, gelées, perpétuellement plongées dans une lumière crépusculaire…

*  HD 69830 b, c et d : les trois planètes d’un soleil moribond

On a pu mettre en évidence autour de cette étoile en fin de vie de la constellation de la Poupe un véritable système solaire : au moins trois planètes et une ceinture d’astéroïdes… Situées à 41 années-lumière de nous, deux de ces planètes sont de type terrestre quoique beaucoup plus grosses que notre globe. Elles possèdent chacune une atmosphère épaisse (toutefois probablement sans oxygène) mais, situées trop près de leur étoile, ces planètes rocheuses sont de véritables enfers carbonisés où la Vie n’a guère la chance de se développer.

*  PSR 1257+12 b, c et d : le système d’un soleil mort

Située à plus de 100 années-lumière de la Terre, l’étoile de ce système est une étoile à neutrons, c’est-à dire le cadavre d’une ancienne étoile géante explosée en supernova (voir le sujet : mort d’une étoile). Autour de ces restes stellaires tournent trois planètes, l’une très proche et de la taille de notre Lune, deux autres plus massives mais aussi plus éloignées. Ces objets ont-ils survécu à l’explosion de la supernova ou ont-ils, par un processus encore ignoré, été créés secondairement ? Impossible de l’affirmer avec certitude. Ce qui est sûr, c’est que le ciel de ces planètes doit être étrange et effrayant puisque l’étoile à neutrons centrale ne mesure que 10 km de diamètre, ses planètes étant donc bien plus grosses qu’elle. L’étoile est hyperdense et si petite : peut-on seulement l’apercevoir distinctement depuis une des deux planètes lointaines ou se confond-elle avec les autres astres de cette nuit éternelle ?

Au fur et à mesure que progresseront nos observations, nous pourrons ainsi découvrir des mondes étranges et extraordinaires. Et, sans doute - mais il faut du temps  - de nouvelles Terres….

Des milliards de milliards de planètes

L'Univers recèle tant d'étoiles (pour mémoire, une galaxie moyenne contient de 150 à 200 milliards d’étoiles et il existe des milliards de galaxies) qu’on doit y trouver un nombre inimaginable de planètes orbitant autour d’elles. La plupart sont très certainement impropres à la Vie (du moins telle que nous la connaissons) mais certainement pas toutes… Voilà qui ravive le « débat statistique de la Vie » d’Isaac Asimov auquel je faisais allusion dans le sujet : vie extra-terrestre, deuxième partie.

Ces planètes lointaines, ces étranges merveilles, sont actuellement (et pour longtemps) hors de notre portée mais savoir qu’elles existent nous permet de nous resituer dans ce monde gigantesque dont certains pensent qu’il nous appartient parce qu’il aurait été créé pour nous. Encore un fois, savoir être modeste relève de la seule et pure raison.

Images

 1. galaxie du sombrero M 104 (sources : www.chez-gerard.org)

2. Giordano Bruno (sources : 2.bp.blogspot.com)

3. méthode de transit indirecte ou primaire (sources : r.academic.ru)

4. explication d'une lentille gravitationnelle (sources : http://www.futura-sciences.com/)

5. "Jupiter" chaude (sources : www.innovationlejournal.com)

6. depuis le satellite d'une géante gazeuse (sources : http://my-blackberry.net)

7. planète d'un système multiple (sources : http://www.futura-sciences.com)

8. une planète gelée, ici Titan (sources : http://www.blog.francis-leguen.com/)

9. la Terre (sources : http://www-obs.univ-lyon1.fr)

       (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Giordano Bruno - vitesse radiale - transit primaire - transit secondaire - astrométrie - optique adaptative - coronographie - lentille gravitationnelle - planète gazeuse - planète tellurique - géante rouge - étoiles multiples - étoile à neutrons - supernova

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

 Sujets apparentés sur le blog :

1. la Terre, centre du Monde

 2. origine du système solaire

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mise à jour : 5 sepembre 2023

Le 24 avril 1990, un événement considérable bouleversa le monde jusque là fermé de l’astronomie : le lancement du télescope Hubble. On fête ces jours-ci les vingt ans de cet anniversaire, célébrant ainsi une date à partir de laquelle l’étude du ciel n’aura plus été la même tant le télescope spatial nous aura apporté de connaissances nouvelles et de photos extraordinaires. Avec lui, au-delà même des acquis scientifiques, l’astronomie est entrée de plein pied dans le domaine du grand public… Ce nom, Hubble, à présent connu de tous, lui a été donné en mémoire d’un des plus grands astronomes que le monde ait connu, un de ceux dont on peut réellement dire qu’il a fait avancer la pensée scientifique. Mais qui était donc Edwin Hubble ?

  les premières années

Edwin Powell Hubble vit le jour le 20 novembre 1889, troisième d’une lignée de sept, dans une petite ville de quelques milliers d’habitants, Marshfield dans le Missouri. Son père, un homme rigide et assez conservateur, était agent d’assurances tandis que, à la maison, sa mère s’occupait d’élever ses nombreux enfants. La famille étant plutôt aisée, la première partie de l’enfance d’Edwin se déroula paisiblement. En 1898, toutefois, un événement important perturba sa vie : son père fut nommé à Chicago et toute la famille émigra pour la grande ville, ou plutôt sa banlieue.

Au fur et à mesure que le temps passait, le jeune Edwin apprit à se distinguer. Selon les quelques témoignages de l’époque que nous avons de lui, c’était un grand et beau jeune homme dont la scolarité, sans être exceptionnelle, était très satisfaisante mais qui excellait surtout en sport, notamment au basket et à la gymnastique (le saut en hauteur était sa discipline de prédilection). Il avait également passé une grande partie de son adolescence à dévorer des livres d’aventures, notamment ceux de Jules Verne (20 000 lieues sous les mers, de la Terre à la Lune, etc.) ce qui l’avait conduit à se passionner pour l’astronomie. A l’université de Chicago, il entreprit donc un parcours en mathématique et en astronomie mais continuait toujours à exceller en sport. Toutefois, voulant se consacrer au football américain, il reçut une fin de non recevoir de son père qui trouvait ce sport trop violent et il se dirigea… vers la boxe où il acquit une certaine réputation (la légende affirme même qu’il affronta Marcel Cerdan).

En 1910, à 21 ans, il obtient une bourse afin de poursuivre ses études à Oxford et s’embarque pour l’Angleterre qui deviendra sa deuxième patrie. Il est en effet subjugué par les traditions et la façon de vivre des habitants du vieux pays et cherche à se transformer en « parfait gentleman », allant jusqu’à simuler un soupçon d’accent anglais. Durant les quelques années qu’il passera sur le vieux continent, il apprend le droit et continue d’exceller en sport. C’est à cette époque qu’il commence à fumer la pipe, un accessoire qui deviendra indissociable de son image au point qu’il l’arborera toute sa vie bien qu’étant devenu non-fumeur. Son père étant mort en 1913, il revient en Amérique pour rejoindre sa famille à présent installée à Louisville (Kentucky) et, tout en cherchant à exercer le droit, se trouve un travail de professeur d’espagnol et de physique. Tout aurait pu en rester là pour lui mais, bientôt, son existence change à nouveau car, convié à une réunion de la Société Américaine d’Astronomie, il y retrouve ses premières amours.

A l’époque, un des grands débats de la discipline concernait la nature des nébuleuses, ces sortes de taches plus ou moins pâles dont certaines arboraient des bras spiraux. Selon les théories en vigueur, elles ne pouvaient être que intragalactiques puisqu’on pensait qu’il n’existait qu’une seule et unique galaxie, la Voie lactée, qui renfermait toute la matière visible. Pourtant, des études discordantes avaient déjà été menées qui concluaient au rapprochement de la galaxie d’Andromède (décalage vers le bleu de son spectre) tandis que la plupart des autres avaient un spectre décalé vers le rouge (et donc s’éloignant de nous).

l'appel de l’astronomie

Hubble passe son doctorat d’astronomie à l’université de Chicago en 1917. A cette époque, bien sûr, la guerre fait rage en Europe et il est mobilisé… mais trop tard pour participer effectivement aux combats. Il en profite pour faire une sorte de tour d’Europe durant deux ans, entrant en contact avec la majorité des astronomes de différents pays auxquels il fit d’ailleurs assez bonne impression. Ce n’est qu’en 1919 qu’il rentre aux USA et obtient d’emblée de se faire affecter à l’observatoire du Mont Wilson qui possédait le plus grand télescope du moment.

une découverte immense et ses conséquences

      les premières années au mont Wilson

Lorsque Edwin Hubble intègre son nouveau poste, un homme règne en maître sur l’observatoire du Mont Wilson : Harlow Shapley (1885-1972), une autorité indiscutable en astronomie. C’est surtout un des principaux théoriciens de la grande galaxie, c'est-à-dire de l’idée selon laquelle il n’existe qu’une seule galaxie – dans laquelle nous nous trouvons – et en dehors de laquelle il n’existe rien. Comme nous l’avons déjà vu dans un sujet précédent (voir le sujet : les galaxies), depuis Emmanuel Kant, certains prétendaient qu’il pouvait exister des univers-îles situés au-delà de la Voie lactée, très loin dans le cosmos, comme des répliques de notre propre galaxie. Malheureusement pour eux, ils n’ont aucun moyen de prouver leurs affirmations et on en reste à la théorie de Shapley. Hubble, lui, ne semble pas avoir de position tranchée sur la question.

En 1921, Shapley quitte le mont Wilson en laissant le champ libre à Hubble.  Ce dernier poursuit un long travail sur la classification, d’après leurs formes, des « nébuleuses » mais il s’intéresse aussi à celle dont on ne sait pas encore qu’elle est notre plus proche voisine : la grande galaxie d’Andromède M31. C’est un objet particulièrement intéressant car on peut y trouver de nombreuses novae (dont on ne connait pas encore la nature exacte) or Hubble pense qu’il pourra peut-être en calculer la distance. C’est en effectuant ce travail de fourmi qu’il repère un petit point brillant qu’il finit par identifier : une céphéide.

      céphéides et détermination des distances extragalactiques

Les céphéides sont des étoiles variables dont les différences de luminosité sont régulières et prévisibles (voir le sujet céphéides). Leurs caractéristiques ont été découvertes par la remarquable astronome que fut Henrietta Leavitt (1868-1921), trop longtemps et injustement oubliée (elle aurait certainement mérité un prix Nobel qu’elle n’aura jamais). Observant ce type d’étoiles variables dans le petit nuage de Magellan (galaxie naine satellite de la Voie lactée), Leavitt avait en effet remarqué que leur brillance est en rapport avec la durée de leur période de variation et, établissant une relation entre ces deux caractéristiques, elle arriva à en déduire leur éloignement. A l’époque de Hubble, la confirmation expérimentale de cette relation remonte déjà à plusieurs années (1916) et elle est due à… Harlow Shapley !  Edwin Hubble n’a plus qu’à faire ses calculs qui sont indiscutables : Andromède est située d’après lui à 900 000 années-lumière, c'est-à-dire bien trop loin pour faire partie de notre galaxie (on sait aujourd’hui qu’elle est en réalité à environ 2,5 millions d’années-lumière de nous). Dans la foulée, il observe les céphéides d’autres nébuleuses (M33, NGC 6822, etc.) et démontre leur position extragalactique. Il présente ses conclusions au congrès de la Société Américaine d’Astronomie en 1925. Face à ce qu’il faut bien appeler des preuves sans appel, Shapley reconnait son erreur et propose de débaptiser ces « nébuleuses » en « galaxies » un terme que, curieusement, Hubble n’utilisera jamais.

      l’univers en expansion

A ce moment de la vie de Hubble, il existe plusieurs certitudes :

1.    Les tâches floues appelées jusqu’alors nébuleuses sont en fait des galaxies comme la nôtre et certaines sont situées très loin dans l’espace ;

2.   Quelques unes de ces galaxies, à l’instar d’Andromède, se rapprochent de la Voie lactée (décalage spectral vers le bleu) mais la plupart s’en éloignent (décalage - Redshift en anglais - vers le rouge) ;

3.   Einstein a publié en 1917 sa théorie de la relativité générale (voir le sujet : théorie de la relativité générale) dans laquelle, pour contrebalancer les forces gravitationnelles d’attraction existant entre les objets cosmiques, il a introduit une force répulsive afin que son « univers » reste stationnaire. Toutefois, de nombreux scientifiques n’ont pas été convaincus par cet « artifice » de calcul et, reprenant les équations einsteiniennes, en sont arrivés à la conclusion que l’Univers ne peut être qu’en expansion (entre autres, Willem de Sitter, Alexander Friedmann et l’abbé mathématicien belge, Georges Lemaître, père de la théorie du Big bang).

Edwin Hubble travaille d’arrache-pied sur la question et, en 1929, il présente un article qui fera date : « Sur la relation entre la distance et la vitesse radiale de nébuleuses extragalactiques », article dans lequel il introduit une équation reliant vitesse et éloignement des galaxies où une constante H (dite constante de Hubble) lie les deux parties. Il estime cette constante à environ 500 km/sec et par mégaparsec (unité pratique en astronomie, le parsec vaut 3,2616 années-lumière et le mégaparsec un million de fois plus); on sait aujourd’hui que cette valeur est d’à  peu près 70 km/s/Mpc mais peu importe : Hubble a été le premier à démontrer l’expansion de l’Univers, une découverte majeure pour l’astronomie et la cosmologie scientifique puisque, au-delà de l’expansion elle-même, c’est elle qui a permis de définir l’âge de l’Univers.

 les années de gloire

Bien que continuant à travailler avec acharnement sur la classification des galaxies (une classification toujours en vigueur aujourd’hui), Hubble, souvent en compagnie de son ami Einstein, gloire de l’époque s’il en fut, fuit le monde des scientifiques. Il préfère les Arts et Spectacles, lie nombre d’amitiés dans le monde du cinéma d’Hollywood, rencontre Aldous Huxley qui deviendra son grand ami, fréquente les milieux dirigeants de la presse (Randolph Hearst), de la musique… En somme, il devient ce que l’on nomme aujourd’hui de l’atroce mot de « people ». Le corollaire de cet engagement est qu’il ne fréquente plus guère les conférences et colloques scientifiques, a plutôt tendance à snober les autres astronomes (que le lui rendront bien) et ne cherche pas du tout les promotions administratives.

Il ne faudrait pas croire pour autant qu’il a abandonné ses observations qu’il continue avec acharnement mais le télescope du mont Wilson devient pour lui un peu étroit et, comme toute une génération d’astronomes, il attend avec impatience la mise en service du télescope géant (pour l’époque) du mont Palomar.

  les années du crépuscule

La deuxième guerre mondiale venant de s’achever, il postule pour devenir le directeur de l’observatoire du mont Wilson mais on le lui refuse au motif qu’il est plus préoccupé par son activité auprès des gloires d’Hollywood que par l’astronomie. C’est totalement injuste car il a toujours continué de pratiquer avec brio la discipline mais on lui fait probablement payer là une supposée indifférence – voire une certaine arrogance disent d'autres – vis-à-vis du petit monde des scientifiques.

Le télescope du mont Palomar est mis en service en 1948 et, tout naturellement, compte tenu de sa contribution passée à l’avancée de la discipline, il demande une part importante du temps d’observation : le comité d’attribution refuse son programme jugé passéiste…

Edwin Powell Hubble meurt d’un infarctus du myocarde le 28 septembre 1953 à l’âge de 64 ans. Sa veuve refusa d’organiser un service funèbre et nul ne sait ce qu’il advint de sa dépouille.

  au Panthéon des scientifiques

Lorsqu’on se penche sur l’histoire des Sciences, on se rend compte que, la plupart du temps, les avancées sont lentes, parfois même laborieuses. Ce sont le plus souvent les efforts d’équipes multidisciplinaires qui permettent des découvertes véritables. Parce que la Science est toujours une remise en cause permanente des acquis au fur et à mesure du progrès des techniques et des idées mais également parce que la nouveauté repose sur le monde immense des pensées précédentes.

Toutefois, il existe de temps à autre de grands noms qui ne doivent (presque) rien à personne, de grands noms dont les contributions majeures arrivent à changer le cours des choses. Darwin fut certainement un des plus grands noms de la biologie parce qu’il inaugura une manière nouvelle d’appréhender la Vie, à contre-courant des préjugés de son époque. Einstein repensa littéralement la physique au point que, après lui, elle ne fut plus jamais la même. Rutherford contribua fortement à comprendre les mécanismes restés longtemps ignorés de la radioactivité, etc. Edwin Hubble fut, dans le domaine de l’astronomie un de ces hommes là et ce n’est que justice que l’on ait donné son nom au télescope spatial qui restera pour longtemps un des outils les plus remarquables que les hommes aient jamais construit.

Sources :

Ciel et Espace, HS n°14, avril 2010 (www.cieletespace.fr ) ;

https://edwinhubble.com ;

https://space.about.com ;

Images

1. Edwin Hubble (sources : www.pnas.org)

2. l'université d'Oxford (sources : www.pays-monde.fr)

3. l'observatoire du Mont Wilson (sources : www.astronomique.com)

4. la galaxie du Triangle M33 (sources : astro2009.futura-sciences.com)

5. redshift et constante de Hubble (sources : www.astropolis.fr)

6. télescope du Mont Palomar (sources : astro2009.futura-sciences.com) 

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : télescope spatial Hubble -  observatoire du Mont Wilson - Harlow Shapley - céphéides - Henrietta Leavitt - constante de Hubble - observatoire du Mont Palomar

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires) 

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 Mise à jour : 7 mars 2023