Un scoop :

Les étoiles ne naissent pas dans les choux.

 

On a vu que les premiers âges de l’Univers ont débouché sur la formation d’atomes gazeux en grande quantité, surtout de l’hydrogène, un peu d’Hélium, de deutérium et de lithium .

 



On a imaginé que ce gaz, soumis à l’influence de la gravitation et agité par des mouvements internes comparables à ceux qui accouchent des cyclones dans notre atmosphère,  pouvait ébaucher les vastes ensembles qui seraient à l’origine des galaxies. 

 Mais il suffit de regarder autour de nous pour admettre qu’à ce stade il reste beaucoup de chemin à faire avant que ne se dessine la structure de l’Univers actuel où le gaz sous forme de nuages subsiste encore en grande quantité mais où sont apparus de  nouveaux atomes, plus lourds, et de nouvelles structures, étoiles et planètes en nombre si grand que leur formation semble gouvernée par une loi implacable qui impose à la matière d’évoluer en ce sens.

 


C’est à ces mécanismes que nous allons nous intéresser maintenant .

 


Si on étudie la photo ci contre, qui représente une partie bien particulière d’un nuage de gaz et de poussière formant la nébuleuse de l’Aigle, (du nom de la constellation dans laquelle il est situé), on observe que des doigts s’en écartent, témoignant que la matière a produit un objet qui a atteint une certaine densité et qui sera bientôt autorisé à se séparer du nuage dont il soustrait, par gravité, un immense flot de matière . En regardant mieux, il semble que cet objet émette une pâle lueur montrant que certaines réactions se sont amorcées en  son sein .

Il se pourrait bien que le télescope spatial HUBBLE qui nous a transmis ces photos, nous convie à un spectacle fascinant : la naissance d’une étoile .

 

Le  principe de formation d’une étoile est toujours le même .

Il se crée dans le nuage, une petite discontinuité, un kyste de matière qui va s’imposer à son voisinage, moins dense, attirer à lui les particules environnantes pour grossir encore et accroître son pouvoir gravitationnel .

 

 

Le phénomène va s’amplifier et les gaz originels où domine l’hydrogène  vont s’accumuler jusqu’à ce qu’on atteigne au centre du kyste, (qui va bientôt mériter le nom de « protoétoile ») les pressions phénoménales qui vont permettre à un proton de franchir la barrière électromagnétique qui tend à l’éloigner d’un autre proton  .  Bientôt, les deux protons seront si rapprochés l’un de l’autre  qu’ils vont  entrer dans le champ d’influence de l’interaction nucléaire, responsable de la cohésion des  noyaux et ils vont fusionner .

C’est ainsi que noyaux légers seront transformés en noyaux plus lourds qui, lorsqu’ils trouveront des   conditions propices, capteront  des électrons pour donner des atomes  comme le carbone, l’azote, l’oxygène ou le fer.

 


Plus les atomes sont lourds,  plus les réactions qui vont permettre de les synthétiser nécessitent des températures élevée, ce qui suppose des étoiles de plus en plus massives .

Une fois la réaction amorcée,  les forces électromagnétiques, contrariées par l’interaction forte vont libérer leurs agents devenus inutiles et une débauche de photons va inonder l’espace en donnant à l’étoile son aspect lumineux, si caractéristique.

 

Certains astres n’atteignent pas la masse critique et ne sont pas en mesure d’amorcer la fusion en leur sein. De ce fait ils demeurent obscurs, invisibles et mystérieux : on les appelle des naines brunes .

 

Mais l’efficacité de ces mécanismes, qu’on appelle NUCLEOSYNTHESE STELLAIRE dépendent non seulement de la taille de l’étoile mais de son histoire .

Quelle est cette histoire ?

 

 

 

 

La vie d'une étoile

 

             

 

1 Comme on vient de le voir, au sein des nuages de gaz et de poussières se forment des PROTOETOILES.  Les étoiles primitives, comme celles qu'on trouve dans les amas globulaires du halo galactique (un peu au dessus ou en dessous du disque de notre galaxie), sont âgées de 12 à 14 milliards d'années et sont composées presque exclusivement d'hydrogène et d'hélium .

Les étoiles plus récentes, comme le soleil, qu'on trouve dans le disque galactique, recyclent les éléments qui ont déjà été synthétisés dans d'autres étoiles (notamment des métaux ou d'autres éléments lourds) .

Nous apprendrons comment on peut déterminer la constitution d'une étoile en analysant sa lumière .

Dans leur jeune âge, toutes les étoiles sont très lumineuses, bleues ou jaunes comme le soleil . Mais leur vie est d'autant plus brève qu'elles sont massives à l'origine.

 

2  Sans hydrogène, il n'y a pas d'étoile . En son centre, l'hydrogène se transforme en hélium, ce qui libère beaucoup d'énergie . Une fois que le cœur  est consommé, il s'effondre, provoquant une forte augmentation de température permettant la fusion de noyaux légers en noyaux plus lourds .

La fusion hydrogène / hélium est transférée vers l'extérieur dans une couronne intermédiaire .

L'équilibre gravité / pression est rompu au sein de l'astre.

 

 



 Soumise à la pression gazeuse résultant du déplacement vers l'extérieur de la réaction nucléaire, l'étoile se dilate et se colore en rouge sous l'influence des éléments lourds (notamment le fer). 

On atteint le stade géante rouge .

BETELGEUSE, de la constellation d' ORION (dont on voit ci - contre l'image donnée par le télescope spatial HUBBLE) ou ANTARES de la constellation du SCORPION, dont le nom hérité de l'arabe, signifie "le rival de Mars" à cause de sa couleur, constituent deux beaux exemples de géantes rouges que nous apprendrons à localiser dans le ciel nocturne .

Notre soleil devrait suivre une évolution similaire dans quelques milliards d'années engloutissant les planètes les plus proches dans sa formidable expansion.


 


4  La géante rouge devient instable, son diamètre et sa luminosité varient périodiquement .

On dit qu'elle atteint le stade de variable physique . POLARIS (l'étoile polaire) ou MIRA CETI (la "merveille" de la constellation de la Baleine) en constituent des exemples connus (mais pas exemplaires pour autant) .

La période d'une variable dépend de sa production d'énergie  . Plus une variable physique est intrinsèquement lumineuse (indépendamment de sa distance), plus sa période est longue . Pour certaines variables, la période est de quelques heures . Pour d'autres elle est de deux ou trois mois .

Mais la relation entre période et luminosité dépend aussi du type de variable . Chaque type est caractérisé par une étoile modèle (type DELTA CEPHEI : les étoiles qui ressemblent à l'étoile delta de la constellation de CEPHEE ;  type RR LYRAE : les étoiles qui ressemblent à l'étoile RR de la constellation de la LYRE,  ...) .

Nous verrons comment la période d'une variable physique peut permettre d'évaluer sa distance dans le chapitre consacré à la mesure de l'univers .

 

Mais, à côté des variables physiques, dont nous venons de parler, il existe d'autres catégories d'étoiles pulsantes:

les étoiles à neutrons doivent leur pulsation a une rotation rapide dont la période est de l'ordre de la seconde (elle est d'autant plus rapide que l'étoile est dense).

Ci contre, on peut voir comment, dans la nébuleuse du Crabe, brille le phare intermittent d'une étoile à neutrons (indiquée par la flèche),  30 fois par seconde.


o les étoiles doubles de type Sirius doivent leur variation d'éclat à la présence d'un compagnon invisible ou moins visible (souvent une naine), les deux étoiles tournant mutuellement l'une autour de l'autre .


Les étoiles doubles sont très communes (environ une sur deux) .

Il existe des systèmes tournants formés de plus de 2 étoiles.

 



 

 5 Il s'accumule dans la variable physique des couches instables jusqu'à ce qu'elle s'effondre en naine blanche  ou que des transformations soudaines provoquent une onde de choc, la faisant littéralement exploser en novae ou supernovae selon la taille initiale. Sur les clichés ci-contre, pris en 1987, on voit une étoile (indiquée par la flèche ) avant et pendant son explosion en supernovae . 
Elle se situe dans le grand nuage de Magellan prés de la nébuleuse de la tarentule .

L'augmentation de sa luminosité est spectaculaire .

 

 

6  Puis toujours selon la taille initiale, le résidu de la novae qui a expulsé une grande quantité de matière interstellaire, donne par effondrement une naine blanche, une étoile à neutrons (pulsar) ou un trou noir.

Chacune de ces formes se distingue par sa densité : 1 tonne /cm3 pour la naine blanche, 10.000.000 tonnes/cm3 pour le pulsar et encore beaucoup plus pour le trou noir qui constitue un véritable piège à lumière .A titre de comparaison, la masse volumique d'une géante rouge est de l'ordre de 0,1 micro gramme / cm3 

Nous verrons plus loin comment on parvient à évaluer la masse d'une étoile .

 

 





Quelques milliers d'années après l'explosion en supernovae ou l'effondrement, on peut contempler le spectacle ci-contre:  une naine blanche entourée d'un halo de gaz et de poussière en expansion qui n'est autre que le résidu de son étoile mère  . 

Une nouvelle nébuleuse (qualifiée à tort de "planétaire") est née .

La matière expulsée va peut être contribuer à alimenter une nébuleuse plus dense qui, à son tour produira d'autres étoiles. Le cycle va pouvoir recommencer .

 

 

 



 

Les mécanisme de la  synthèse de éléments

 

Au cours des réactions de fusion dont il est le siège, le soleil, par exemple, transforme en une seconde 4,2 millions de tonnes de matière en énergie pour nous gaver de sa lumière et de sa chaleur . Mais malgré ce régime, qui rendrait jalouse plus d'une diététicienne expérimentée, on peut calculer d'après son âge évalué à 4,5 milliards d'années, qu'il n'a perdu en tout que 3/1000 de sa masse initiale .

 

Si à sa création une étoile bénéficie de l’apport d’éléments lourds, déjà produits par un précurseur,  elle peut mettre à profit leur présence pour catalyser la NUCLEOSYNTHESE et accélérer par exemple la transformation d’hydrogène en hélium, comme c’est le cas pour l’apport de carbone d’azote et d’oxygène  dont la combinaison  intervient dans ce qu’on appelle le cycle CNO .

Si sa masse initiale est suffisante pour atteindre la température de 5 milliards de degrés (ce qui suppose environ 25 fois la masse du soleil), elle va successivement produire, à partir de l’hydrogène des couches de plus en plus profondes d’hélium 4, de Carbone 12, d’oxygène 16, de néon 20, et ainsi de suite jusqu’au fer 56 en favorisant les atomes dont le nombre des nucléons (neutrons ou protons) est un multiple de 4 .

Pourquoi des multiples de 4 ? Parce que ces réactions, libèrent des flux de photons très énergétiques qui cassent tous les atomes instables en cours de formation et justement, ceux dont le nombre de nucléons est un multiple de 4 comptent parmi les plus stables (avec une mention particulière pour le fer 56) si bien qu’ils sont les seuls à résister à ce violent orage électromagnétique et ils profitent même de l’apport en particules qui résultent de ces destructions, ce qui accélère le processus.

Plus les atomes sont lourds, plus la température qui permet d’amorcer la fusion est haute (de l’ordre du million de degrés pour l’hélium et de l’ordre de 5 milliards de degrés pour le fer) et plus la durée de la transformation est courte (de l’ordre du million d’années pour l’hélium, de l’ordre d’une journée pour le fer).

 

Au bout d’un moment toute nouvelle combinaison nucléaire est immédiatement détruite par le flux de photons qui devient de plus en plus violent ce qui fait plafonner le phénomène au niveau du fer 56 .

Privée de carburant, l’étoile va s’effondrer en provoquant une formidable explosion : une supernova dite de type 2 .  Au cours de l’explosion, des éléments plus lourds, encore que le fer, peuvent se former .

C’est ce qu’on appelle la NUCLEOSYNTHESE EXPLOSIVE .

Pour finir, seul subsiste le cœur de fer des étoiles massives qui va contribuer à former une étoile à neutrons ou un trou noir .

La nature peut aussi synthétiser les éléments lourds dans des systèmes d’étoiles doubles dont l’une est une naine blanche. Celle ci, qui résulte déjà d’un précurseur pas très massif est à priori inactive mais il arrive, dans ce contexte,  qu’elle attire de la matière de son compagnon, ce qui permet, par gravitation, de provoquer un nouvel amorçage  enclenchant la combustion du carbone .

En quelques secondes, l’étoile va exploser en une supernova de type 1a et perdre la moitié de sa masse sous forme de particules diverses dont beaucoup seront métalliques .

 

Les éléments plus lourds que le fer se forment toujours dans des conditions très particulières à partir du fer ou de ses voisins les plus stables dans la classification de MENDELEEV.

La nucléosynthèse ne peut les produire aussi les théoriciens ont recours à un autre procédé pour expliquer leur présence: LA CAPTATION DE NEUTRONS . Des particules qui bien qu’éphémères à l’extérieur des noyaux sont émises en nombre important en de nombreuses occasions .

Dans les étoiles comparables à notre soleil, ces neutrons proviennent de la synthèse de l’hélium dans les couches extérieures de l’astre, quand il en est au stade de géante rouge.  La capture des neutrons par les atomes métalliques est lente, et plus tard, il se produit un phénomène  (la radioactivité bêta) qui transforme certains d’entre eux en protons en évinçant un électron.

Les atomes les plus lourds comme l’Uranium doivent résulter d’un mécanisme plus rapide :  l’immersion d’un site métallique dans un flux de neutrons très important, résultant probablement d’une situation explosive .  Les neutrons sont capturés en nombre pour former des éléments instables qui en se décomposant donnent des résidus stables qui comptent parmi les plus complexes (et aussi les plus rares) qu’on puisse trouver à l’état naturel .

 

Pour terminer, il faut savoir que certains éléments résultent non pas d’une synthèse mais de la dégradation d’éléments plus lourds. C’est ce qu’on appelle la SPALLATION .

Il ne faut pas confondre la SPALLATION et la FELLATION qui résulte aussi d’une synthèse mais n’a rien de dégradant pourvu que les éléments constituants y contribuent de leur plein gré .

 

Voilà, à ce stade, nous avons tout ce qu’il faut pour être heureux :

Avec les petits atomes fabriqués dans les étoiles nous pouvons tricoter les longues molécules d’ADN qui servent, entre autres, à faire les bébés, nous pouvons aussi malaxer la pâte des plastiques qui font de merveilleux hochets . Avec de l’hydrogène, issu en droite ligne du big – bang, nous gonflerons son joli ballon rouge .

Sa première dent sera forgée dans du calcium provenant de la proche banlieue de BETELGEUSE.  Plus tard une ou deux spallations prodiguées par des camarades de classe particulièrement bienveillantes salueront son passage à l’état d’adulte et il pourra aller se faire trouer la paillasse sur un quelconque champ de bataille avec des balles issues du recyclage d’une boîte de sardines que des habitants d’une planète située non loin de VEGA auront trouvée à leur goût voilà 2 milliards d’années.

Des balles qu’on aura préalablement trempé dans un bol contenant un mélange de TABASCO et d’uranium appauvri produit dans la collision de deux étoiles à neutrons du côté de SPICA, pour être bien sûr que le candidat à leur interception mesurera toute l’absurdité de la guerre lorsqu’il procédera au grattage tout de suite après le tirage .

 

Tout ce qu’il faut pour être heureux ?

Non, il nous manque encore quelque chose : une planète où poser nos pieds .

Une bonne et grosse planète pour la livrer à la sauvagerie de nos jeux ravageurs .


3. La naissance du cosmos