De l'étoile au nain blanc la saga d'une étoile semblable au soleil

Les naines blanches sont des objets curieux. Ils sont petits et peu massifs (d'où la partie "naine" de leurs noms) et ils rayonnent principalement de lumière blanche. Les astronomes les appellent aussi des "nains dégénérés" car ils sont en réalité les restes de noyaux stellaires qui contiennent une matière très dense "dégénérée".

De nombreuses étoiles se transforment en naines blanches dans le cadre de leur «vieillesse». La plupart d'entre eux ont commencé comme des étoiles similaires à notre propre Soleil. Il semble assez étrange que notre Soleil se transforme en quelque sorte en une mini-étoile étrange et rétrécie, mais cela se produira dans des milliards d'années. Les astronomes ont vu ces petits objets étranges tout autour de la galaxie. Ils savent même ce qui leur arrivera lorsqu'ils se refroidiront: ils deviendront des nains noirs. 

Une impression d'artiste d'une étoile naine blanche en orbite avec pulsar PSR J2222-0137. Il s'agit peut-être de la naine blanche la plus froide et la plus sombre jamais identifiée. (Version plus grande disponible sur: https://public.nrao.edu/images/non-gallery/2014/c-blue/06-23/ColdRemnant.jpg). B. Saxton (NRAO / AUI / NSF)

La vie des étoiles

Pour comprendre les naines blanches et leur formation, il est important de connaître les cycles de vie des étoiles. L'histoire générale est assez simple. Ces boules géantes bouillonnantes de gaz surchauffés se forment dans des nuages ​​de gaz et brillent par l'énergie de la fusion nucléaire. Ils changent tout au long de leur vie, passant par des étapes différentes et très intéressantes. Ils passent la majeure partie de leur vie à convertir l'hydrogène en hélium et à produire de la chaleur et de la lumière. Les astronomes cartographient ces étoiles dans un graphique appelé la séquence principale, qui montre quelle phase elles sont dans leur évolution.

Le Soleil deviendra un jour une naine blanche. NASA / SDO

Une fois que les étoiles atteignent un certain âge, elles passent à de nouvelles phases d'existence. En fin de compte, ils meurent d'une certaine manière et laissent derrière eux des éléments de preuve fascinants sur eux-mêmes. Il y a quelques vraiment exotique des objets qui deviennent des étoiles vraiment massives, comme les trous noirs et les étoiles à neutrons. D'autres finissent leur vie comme un type d'objet différent appelé une naine blanche.

Création d'un nain blanc

Comment une étoile devient-elle une naine blanche? Son chemin évolutif dépend de sa masse. Une étoile de grande masse avec huit fois ou plus la masse du Soleil pendant le temps où elle se trouve sur la séquence principale va exploser en supernova et créer une étoile à neutrons ou un trou noir. Notre Soleil n'est pas une étoile massive, donc, et des étoiles très similaires, deviennent des naines blanches, et cela inclut le Soleil, des étoiles de masse inférieure au Soleil et d'autres qui se situent quelque part entre la masse du Soleil et celle de les supergéantes.

Des étoiles massives meurent dans des explosions de supernova comme celle-ci. Les restes de cette étoile ne formeront pas une naine blanche, mais auront plutôt créé une étoile à neutrons en rotation appelée pulsar. Vue du télescope spatial Hubble sur le reste de la supernova de la nébuleuse du crabe. NASA / ESA / STScI

Les étoiles de faible masse (celles ayant environ la moitié de la masse du Soleil) sont si légères que leur température centrale ne devient jamais assez chaude pour fusionner l'hélium en carbone et en oxygène (la prochaine étape après la fusion de l'hydrogène). Une fois que le carburant d'hydrogène d'une étoile de faible masse s'épuise, son cœur ne peut pas résister au poids des couches au-dessus d'elle et tout s'effondre vers l'intérieur. Ce qui reste de l'étoile sera ensuite compressé en une naine blanche d'hélium - un objet composé principalement de noyaux d'hélium-4

La durée de survie d'une étoile est directement proportionnelle à sa masse. Les étoiles de faible masse qui deviennent des étoiles naines blanches d'hélium prendraient plus de temps que l'âge de l'univers pour atteindre leur état final. Ils refroidissent très, très lentement. Par conséquent, personne n'en a vu une se refroidir complètement, et ces étoiles bizarres sont assez rares. Cela ne veut pas dire qu'ils n'existent pas. Il y a certains candidats, mais ils apparaissent généralement dans les systèmes binaires, ce qui suggère qu'une sorte de perte de masse est responsable de leur création, ou du moins d'accélérer le processus.

Le soleil deviendra un nain blanc

nous faire voir de nombreux autres nains blancs là-bas qui ont commencé leur vie comme des étoiles plus comme le Soleil. Ces naines blanches, également appelées naines dégénérées, sont les extrémités des étoiles avec des masses de séquence principale comprises entre 0,5 et 8 masses solaires. Comme notre Soleil, ces étoiles passent la majeure partie de leur vie à fusionner l'hydrogène en hélium dans leur cœur.

Notre étoile va gonfler pour devenir une géante rouge sur le chemin de devenir une naine blanche entourée d'une nébuleuse planétaire. Jacobs / Wikimedia Commons

Une fois qu'ils ont épuisé leur carburant d'hydrogène, les noyaux se compressent et l'étoile se dilate pour devenir une géante rouge. Il chauffe le cœur jusqu'à ce que l'hélium fusionne pour créer du carbone. Lorsque l'hélium s'épuise, le carbone commence à fusionner pour créer des éléments plus lourds. Le terme technique pour ce processus est le "processus triple-alpha:" deux noyaux d'hélium fusionnent pour former du béryllium, suivi de la fusion d'un autre hélium créant du carbone.)

Une fois que tout l'hélium du noyau a été fusionné, le noyau se comprime à nouveau. Cependant, la température centrale ne deviendra pas assez chaude pour fusionner le carbone ou l'oxygène. Au lieu de cela, il "se raidit" et l'étoile entre dans une deuxième phase géante rouge. Finalement, les couches externes de l'étoile sont doucement emportées et forment une nébuleuse planétaire. Ce qui reste est le noyau carbone-oxygène, le cœur de la naine blanche. Il est très probable que notre Soleil entamera ce processus dans quelques milliards d'années. 

Il y a un nain blanc au cœur de la nébuleuse de l'anneau. Il s'agit d'une image du télescope spatial Hubble. La nébuleuse annulaire est constituée d'une naine blanche au centre d'une coquille de gaz en expansion expulsée par l'étoile. Il est possible que notre étoile finisse comme ça. NASA / ESA / STScI.

La mort des nains blancs: faire des nains noirs

Quand un nain blanc cesse de produire de l'énergie via la fusion nucléaire, techniquement ce n'est plus une étoile. C'est un reste stellaire. Il fait encore chaud, mais pas de l'activité en son cœur. Considérez les dernières étapes de la vie d'un nain blanc comme plus comme les braises mourantes d'un feu. Avec le temps, il refroidira et finira par devenir si froid qu'il deviendra une braise froide et morte, ce que certains appellent une "naine noire". Aucun nain blanc connu n'est encore arrivé aussi loin. En effet, il faut des milliards et des milliards d'années pour que le processus se produise. Puisque l'univers n'a que 14 milliards d'années, même les premiers nains blancs n'ont pas eu le temps de se refroidir complètement pour devenir des nains noirs. 

Points clés à retenir

• Toutes les étoiles vieillissent et finissent par sortir de l'existence.
• Des étoiles très massives explosent en supernovae et laissent derrière elles des étoiles à neutrons et des trous noirs.
• Des étoiles comme le Soleil évolueront pour devenir des naines blanches.
• Une naine blanche est le reste d'un noyau stellaire qui a perdu toutes ses couches externes.
• Aucune naine blanche ne s'est complètement refroidie dans l'histoire de l'univers.

Sources

• NASA, NASA, imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/dwarfs1.html.
• "Stellar Evolution", www.aavso.org/stellar-evolution.
• «Nain blanc | COSMOS." Centre d'astrophysique et de superordinateurs, astronomy.swin.edu.au/cosmos/W/white nain.

Sous la direction de Carolyn Collins Petersen.