Comment comprendre la masse d'une étoile

Presque tout dans l'univers a une masse, des atomes et des particules subatomiques (comme celles étudiées par le Grand collisionneur de hadrons) aux amas géants de galaxies. Les seules choses que les scientifiques connaissent jusqu'à présent et qui n'ont pas de masse sont les photons et les gluons. 

La masse est importante à connaître, mais les objets dans le ciel sont trop éloignés. Nous ne pouvons pas les toucher et nous ne pouvons certainement pas les peser par des moyens conventionnels. Alors, comment les astronomes déterminent-ils la masse des choses dans le cosmos? C'est compliqué. 

Étoiles et messe

Supposons qu'une étoile typique soit assez massive, généralement beaucoup plus qu'une planète typique. Pourquoi se soucier de sa masse? Cette information est importante à connaître car elle révèle des indices sur le passé, le présent et l'avenir évolutifs d'une étoile.

Les astronomes utilisant le télescope spatial Hubble ont identifié neuf étoiles monstres avec des masses plus de 100 fois la masse du Soleil. Ils se trouvent dans l'amas d'étoiles R136 dans le grand nuage magellanique à proximité. La masse est une caractéristique importante lors de la détermination de la durée de vie des étoiles. NASA / ESA / STScI

Les astronomes peuvent utiliser plusieurs méthodes indirectes pour déterminer la masse stellaire. Une méthode, appelée lentille gravitationnelle, mesure le trajet de la lumière qui est courbé par l'attraction gravitationnelle d'un objet proche. Bien que la quantité de flexion soit petite, des mesures soigneuses peuvent révéler la masse de l'attraction gravitationnelle de l'objet faisant le tiraillement.

Mesures de masse d'étoile typiques

Il a fallu des astronomes jusqu'au 21e siècle pour appliquer des lentilles gravitationnelles à la mesure des masses stellaires. Avant cela, ils devaient s'appuyer sur des mesures d'étoiles en orbite autour d'un centre de masse commun, les étoiles dites binaires. La masse des étoiles binaires (deux étoiles en orbite autour d'un centre de gravité commun) est assez facile à mesurer pour les astronomes. En fait, plusieurs systèmes stellaires fournissent un exemple classique de la façon de déterminer leurs masses. C'est un peu technique mais ça vaut la peine d'être étudié pour comprendre ce que les astronomes doivent faire.

Une image du télescope spatial Hubble de Sirius A et B, un système binaire à 8,6 années-lumière de la Terre. NASA / ESA / STScI

Tout d'abord, ils mesurent les orbites de toutes les étoiles du système. Ils cadencent également les vitesses orbitales des étoiles, puis déterminent le temps qu'il faut à une étoile donnée pour parcourir une orbite. C'est ce qu'on appelle sa «période orbitale». 

Calcul de la masse

Une fois que toutes ces informations sont connues, les astronomes effectuent ensuite des calculs pour déterminer les masses des étoiles. Ils peuvent utiliser l'équation V_orbite = SQRT (GM / R) où SQRT est "racine carrée" a, g est la gravité, M est la masse, et R est le rayon de l'objet. C'est une question d'algèbre de démêler la masse en réarrangeant l'équation à résoudre pour M. 

Ainsi, sans jamais toucher une étoile, les astronomes utilisent les mathématiques et les lois physiques connues pour déterminer sa masse. Cependant, ils ne peuvent pas faire cela pour chaque star. D'autres mesures les aident à déterminer les masses des étoiles ne pas dans les systèmes binaires ou à plusieurs étoiles. Par exemple, ils peuvent utiliser des luminosités et des températures. Les étoiles de luminosités et de températures différentes ont des masses très différentes. Ces informations, lorsqu'elles sont tracées sur un graphique, montrent que les étoiles peuvent être organisées en fonction de la température et de la luminosité.

Les étoiles vraiment massives sont parmi les plus chaudes de l'univers. Les étoiles de moindre masse, comme le Soleil, sont plus froides que leurs gigantesques frères et sœurs. Le graphique des températures, des couleurs et de la luminosité des étoiles s'appelle le diagramme de Hertzsprung-Russell et, par définition, il montre également la masse d'une étoile, selon l'endroit où elle se trouve sur le graphique. S'il se trouve le long d'une longue courbe sinueuse appelée la séquence principale, les astronomes savent que sa masse ne sera ni gigantesque ni petite. Les étoiles de plus grande masse et de plus petite masse tombent en dehors de la séquence principale.

Cette version du diagramme de Hertzprung-Russell trace les températures des étoiles en fonction de leurs luminosités. La position d'une étoile dans le diagramme fournit des informations sur son stade, ainsi que sa masse et sa luminosité. Observatoire européen austral

Evolution stellaire

Les astronomes ont une bonne idée de la façon dont les étoiles naissent, vivent et meurent. Cette séquence de vie et de mort est appelée «évolution stellaire». Le plus grand prédicteur de l'évolution d'une étoile est la masse avec laquelle elle est née, sa «masse initiale». Les étoiles de faible masse sont généralement plus froides et plus faibles que leurs homologues de masse supérieure. Ainsi, simplement en regardant la couleur, la température et l'endroit où elle "habite" dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les astronomes peuvent avoir une bonne idée de la masse d'une étoile. Les comparaisons d'étoiles similaires de masse connue (comme les binaires mentionnés ci-dessus) donnent aux astronomes une bonne idée de la taille d'une étoile donnée, même si ce n'est pas un binaire.

Bien sûr, les stars ne gardent pas la même masse toute leur vie. Ils le perdent en vieillissant. Ils consomment progressivement leur combustible nucléaire et finissent par connaître d'énormes épisodes de perte de masse à la fin de leur vie. S'ils sont des étoiles comme le Soleil, ils le soufflent doucement et forment des nébuleuses planétaires (généralement). S'ils sont beaucoup plus massifs que le Soleil, ils meurent dans des événements de supernova, où les noyaux s'effondrent puis se développent vers l'extérieur dans une explosion catastrophique. Qui fait exploser une grande partie de leur matériel dans l'espace.

Image composite de la nébuleuse du crabe, un vestige de supernova qui a annoncé la mort d'une étoile très massive. NASA / ESA / ASU / J. Hester et A. Loll

En observant les types d'étoiles qui meurent comme le Soleil ou meurent dans les supernovae, les astronomes peuvent déduire ce que feront les autres étoiles. Ils connaissent leurs masses, ils savent comment d'autres étoiles avec des masses similaires évoluent et meurent, et ils peuvent donc faire de très bonnes prédictions, basées sur des observations de couleur, de température et d'autres aspects qui les aident à comprendre leurs masses.

L'observation des étoiles ne se limite pas à la collecte de données. Les informations que les astronomes obtiennent sont regroupées dans des modèles très précis qui les aident à prédire exactement ce que les étoiles de la Voie lactée et de l'univers feront en naissant, vieillissant et mourant, toutes en fonction de leur masse. En fin de compte, ces informations aident également les gens à mieux comprendre les étoiles, en particulier notre Soleil.

Faits rapides

• La masse d'une étoile est un prédicteur important pour de nombreuses autres caractéristiques, y compris sa durée de vie.
• Les astronomes utilisent des méthodes indirectes pour déterminer les masses d'étoiles car ils ne peuvent pas les toucher directement.
• En règle générale, les étoiles plus massives ont une durée de vie plus courte que les moins massives. En effet, ils consomment leur combustible nucléaire beaucoup plus rapidement.
• Des étoiles comme notre Soleil sont de masse intermédiaire et se termineront d'une manière très différente des étoiles massives qui exploseront après quelques dizaines de millions d'années.