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La naissance des étoiles

Herschel fera la lumière sur les conditions et les mécanismes conduisant à la fabrication d’une population d’étoiles, en menant une véritable étude démographique des populations d’étoiles, de la gestation à la naissance. Pour cela, Herschel réalisera des cartographies de grandes zones du ciel contenant les sites de production des étoiles, des naines brunes aux étoiles géantes. Les astronomes réaliseront une étude quantitative de ces populations en déterminant leurs caractéristiques telles que la luminosité, la température, la densité et la masse des cocons.

Une étoile naît, vit et meurt

Notre galaxie, la Voie Lactée, comme toutes les autres galaxies, contient des centaines de milliards d'étoiles qui nous apparaissent éternelles à l'échelle de l'humanité moderne. Pourtant les étoiles ne sont pas des astres immuables et permanents, mais sont des objets soumis aussi au joug du temps. Elles naissent dans des cocons de gaz et de poussière, vivent et meurent.

Carte de la Voie Lactée. Crédit : NASA & ESA V838 est une étoile de la constellation de la Licorne. Crédit : NASA & ESA
À GAUCHE - Carte de la Voie Lactée. La lumière dans le visible est essentiellement produite par les étoiles qui peuplent les bras spiraux de la galaxie.
À DROITE
- V838 est une étoile de la constellation de la Licorne. Le 6 janvier 2002, elle a produit un éclat très intense, qui a illuminé le cocon de poussière qui l'entoure.
Crédits : NASA & ESA

La masse d’une étoile détermine sa vie

Une étoile est une boule de gaz incandescent (hydrogène principalement) où se produisent et s’entretiennent des réactions de fusion nucléaire, accompagnées d’un dégagement de chaleur et de lumière. Plus une étoile est grosse ou massive, plus elle a du combustible, plus elle brille intensément… et plus elle épuise ses réserves rapidement et plus elle fabrique des atomes lourds (ex : oxygène, carbone, fer). Les étoiles massives (de 10 à 100 fois la masse du Soleil) sont très chaudes (10,000-30,000°C en surface). Elles brillent essentiellement dans l’ultraviolet et sont de couleur bleue pour nos yeux. De l'autre côté de l’intervalle des masses des étoiles, les petites étoiles brillent peu, sont rouges, et mènent une vie tranquille. Elles ne dispersent que très peu d'énergie dans l'espace en raison de leur faible température (1000°C en surface seulement). Ces étoiles pourront exister pendant des milliards d'années, contrairement à leurs consoeurs massives qui disparaissent après seulement quelques dizaines de millions d'années. Environ 10 milliards d'années pour une étoile chère à nos yeux : le Soleil.

Le soleil en mai 2008, une étoile très moyenne en taille et très isolée. Crédit : NASA & ESA L’amas du trapèze dans la constellation d’Orion. Crédit : NASA & ESA
À GAUCHE - Le soleil en mai 2008, une étoile très moyenne en taille et très isolée.
À DROITE - L’amas du trapèze dans la constellation d’Orion. Une fratrie de jeunes étoiles s’extirpe de son cocon nébuleux de gaz et de poussière. D’autres y sont encore enfouies.
Crédits : NASA & ESA

Quelle est l’origine de la masse d’une étoile ?

La masse d’une étoile est ainsi un paramètre fondamental. Elle détermine la durée de vie de l’étoile, son intensité lumineuse et sa capacité à transformer l’hydrogène en atomes plus lourds tels que l’oxygène et le carbone. Ce paramètre détermine également l’impact de la mort d’une étoile, par exemple en supernova, sur l’écologie galactique et sur la matière recyclable dans le milieu interstellaire. Pourtant l’origine de la masse d’une étoile et les conditions initiales qui la font naître sont toujours un mystère. Beaucoup de questions restent sans réponse. Pourquoi les étoiles naissent-elles en large fratrie ? Comment fabrique-t-on des étoiles à partir du milieu interstellaire, ce gaz raréfié entre les étoiles avec seulement quelques centaines d’atomes et molécules par litre ? Comment un fragment d’un nuage moléculaire se transforme-t-il en une population d’étoiles ? Pourquoi les petites étoiles comme les naines rouges et les Soleil sont-elles toujours plus nombreuses que les étoiles géantes dans une population donnée ?

Un jeune amas d’étoiles dans les Pléiades. Crédits : NASA & ESA Un amas de jeunes étoiles géantes (en bleu) brille dans l’ultraviolet à 20.000 années lumière.Crédits : NASA & ESA
À GAUCHE - Un jeune amas d’étoiles dans les Pléiades.
À DROITE - Un amas de jeunes étoiles géantes (en bleu) brille dans l’ultraviolet à 20.000 années lumière. Cet amas s’est extrait du nuage voisin de gaz moléculaire et de poussière, un monde opaque dans lequel d’autres étoiles naissent en amas. Herschel sondera ces nuages opaques.
Crédits : NASA & ESA

Lumière sur les cocons d’étoiles

Herschel mesurera, pour la première fois, la quantité d’énergie émise par les cocons d’étoiles. C’est la luminosité, l’énergie émise par un astre en une seconde. La luminosité du soleil est de 3,8x1026 Watts. Les cocons des embryons d’étoiles sont des zones totalement opaques dans le ciel. Elles apparaissent comme des zones très sombres dans la Voie Lactée. Les astronomes veulent percer ces condensations comme si on voulait regarder à l’intérieur d’un nuage dans le ciel. L’astronomie infrarouge submillimétrique est la technique d’observation principale pour réaliser cette prouesse. Pour cela, les télescopes recueillent la lumière émise par les grains de poussière, des très petits solides dans le milieu interstellaire. Ils ne représentent qu’un pourcent de la masse totale du gaz avec lequel ils cohabitent. Ils absorbent l’intensité lumineuse émise autour d’eux et la restituent dans l’infrarouge et pour les plus froids dans l’infrarouge submm. Plus le cocon de poussière est froid, plus ces grains de poussière émettent dans le submm. La détection de leur énergie permet de sonder l'intérieur des cocons d'étoiles.

La nébuleuse du « sac de charbon » (Coalsack) visible à l’œil nu depuis l’hémisphère sud. L’énergie émise par les grains de poussière dans un cocon d’étoile.
À GAUCHE - La nébuleuse du « sac de charbon » (Coalsack) visible à l’œil nu depuis l’hémisphère sud. Cette région de formation d’étoiles apparaît comme une zone opaque dans la visible.
Crédits :T. Credner & S. Kohle, AlltheSky.com
À DROITE - L’énergie émise par les grains de poussière dans un cocon d’étoile. Chaque courbe correspond à une température de la poussière, de -230°C à -250°C. L’énergie est indiquée sur l’axe vertical et augmente avec la longueur d’onde sur l’axe horizontal. Le maximum d’énergie est détecté vers 200 µm, c’est l’infrarouge submillimétrique.La luminosité est déduite en sommant l’énergie sur l’ensemble de la courbe.
Crédits : CEA

Résultats

Podcasts - Ciel & Espace

  • Pourquoi réaliser une étude démographique des étoiles ?
    [23:01] Anaelle Maury et Vincent Minier
  • Chiffres clés

  • Naines brunes :
    « Entre Etoiles & Planètes géantes »

    Masse entre 0.01 et 0.07 x la masse du soleil
    Durée de vie > 10 Md d’années
    Surface 1000-2000 °C
    Diamètre 100 000 km
  • Etoiles Naines Rouges :
    la majorité

    Masse < 0.5 fois la masse du soleil
    Durée de vie 10-100 Md d’années
    Surface 1000-3000 °C
    Diamètre 1 million de km
  • Étoiles solaires :
    notre Soleil
    Masse ~ la masse du soleil soit 2x1030 kg
    Durée de vie 10 Md d’années
    Surface 5000 °C
    Diamètre 1-2 million de km
  • Étoiles géantes ou massives : explosent en supernovae
    Masse >8 fois la masse du soleil
    Durée de vie 1-100 M d’années
    surface 10000-30000 °C
    Diamètre 5-100 M de km
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