Comment faire bleuir une étoile
Publié par Adrien le 27/02/2019 à 08:00
Source: Université de Montréal
Une équipe d'astrophysiciens, menée par des chercheurs de l'Université de Montréal, a découvert une étoile sur laquelle se serait écrasé un astéroïde très riche en sodium, transformant ainsi sa couleur apparente.


Comparaison entre le Soleil (à gauche), WD J2356-209 (au centre) et une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) naine blanche presque identique à WD J2356-209, mais sans aucune trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie du plasma coronal, à travers des images haute...) de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de corps pur dans la nature,...) détectable (à droite). Les couleurs apparentes ont été simulées à partir des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) spectroscopiques de ces deux étoiles. Crédit: Simon Blouin.

Cette découverte suscite de nombreuses questions quant à l'origine de cet étrange objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction...) et a donné lieu à la publication d'un article dans la revue The Astrophysical Journal signé par Simon Blouin et Patrick Dufour, du Département de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie, de la culture, de la...) et du Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...) du Québec.

L'étoile qui a reçu cette dose massive (Le mot massif peut être employé comme :) de sodium est une étoile de type naine blanche, connue sous le nom de WD J2356-209. Une naine blanche est le noyau dénudé d'une étoile qui a épuisé toutes ses réserves de carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :). Comme il n'y a plus de réactions nucléaires en son coeur, cette classe d'étoile est condamnée à se refroidir éternellement. Dans le cas de WD J2356-209, il s'agit d'une naine blanche très froide et donc très âgée.

Les naines blanches sont des objets très compacts – typiquement la moitié de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) du Soleil compressée dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) comparable à celui de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...). Par conséquent, le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) à leur surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...) est 100 000 fois plus intense que sur Terre. Dans ces conditions, les éléments chimiques les plus légers, tels l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point...), flottent à la surface tandis que les éléments plus lourds coulent vers le centre. La plupart des naines blanches sont donc enveloppées d'une mince couche composée exclusivement d'hydrogène ou d'hélium. Il y a cependant des exceptions. Ainsi, si certaines d'entre elles accrètent de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) rocheuse – provenant de l'impact de comètes, d'astéroïdes ou de planètes naines – des éléments lourds, tel le calcium, le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le...), le magnésium ou le sodium, sont alors visibles temporairement à leur surface. La présence de ces éléments additionnels affecte le spectre lumineux de la naine blanche, permettant ainsi de déterminer avec précision la composition chimique du corps rocheux s'étant échoué à sa surface.

Il y a près de 20 ans, WD J2356-209 a été scrutée à la loupe (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant d'obtenir d'un objet une image agrandie. La loupe est la forme la plus simple du microscope optique, qui, lui, est constitué de plusieurs...) par le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que...) de 10 mètres de l'observatoire W. M. Keck, à Hawaii. Déjà à l'époque, la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) apparente de cette étoile semblait anormale. En principe, une naine blanche aussi froide que WD J2356-209 (environ 4000 kelvins) devrait paraître orangée. Or celle-ci semblait plutôt bleutée, ce qui, normalement, est la signature d'une étoile très chaude. Par exemple, l'étoile Bételgeuse (Le terme Bételgeuse fait référence à:), située dans la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation les relie par des lignes imaginaires, traçant ainsi une figure sur la voûte...) d'Orion, apparaît rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) orangé et la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) à sa surface est d'environ 3500 kelvins, tandis que l'étoile Rigel (Rigel est l'étoile β de la constellation d'Orion.), dans la même constellation, est plus chaude, soit environ 12 000 kelvins, et apparaît blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre...) bleuté.

Il a fallu plusieurs années de travail afin de mettre au point (Graphie) des modèles théoriques simulant les conditions physiques présentes à la surface de naines blanches froides avant de résoudre cette énigme. C'est dans ses travaux de doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce grade est le docteur. Selon les pays et les époques, le doctorat peut...) que Simon Blouin a élaboré ces modèles, permettant enfin de révéler les secrets de WD J2356-209.

L'étrange couleur de WD J2356-209 provient de la présence d'une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) jamais vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de sodium à sa surface. Dans les conditions retrouvées à la surface de cette naine blanche, vieille et froide, le sodium absorbe si efficacement la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) orangée que WD J2356-209 semble bleutée. Par analogie, on peut observer le phénomène inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x =...) chaque nuit dans nos rues puisque les lampadaires au sodium produisent une lumière orangée. Si WD J2356-029 avait été plus jeune et chaude, la présence du sodium n'aurait pas provoqué de bleuissement de la surface.

C'est la première fois qu'une telle composition chimique est observée parmi les centaines de naines blanches ayant accrété de la matière rocheuse. La quantité totale de sodium observée à la surface de WD J2356-209 serait suffisante pour remplir tous les Grands Lacs, à ras bord! Notons toutefois qu'il s'agit de sodium et non de sel de table (i.e. chlorure de sodium – NaCl) puisqu'aucune trace de chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de numéro atomique 17.) n'a été détectée.

L'équipe d'astrophysiciens a déterminé qu'il faut un objet dont la masse est d'au moins 10^18 kg (ce qui correspond à un astéroïde (Un astéroïde est un objet céleste dont les dimensions varient de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres et...) d'environ 100 km de diamètre), contenant une grande abondance de minéraux riches en sodium, se désagrège à la surface d'une naine blanche pour reproduire les observations. À ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...), aucun exemple de ce type d'astéroïde n'a été repéré dans notre Système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre système planétaire) : les huit...).

Finalement, l'analyse des observations de WD J2356-209 montre que cette dernière est l'une des plus vieilles naines blanches ayant accrété de la matière; l'objet qui s'y est échoué était en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) d'elle depuis au moins 9 milliards d'années. L'étude d'objet comme WD J2356-209 permettra donc de mieux comprendre l'évolution à long terme des systèmes planétaires comme le nôtre puisqu'elle fixe une limite inférieure sur la durée durant laquelle un objet peut demeurer en orbite autour de son étoile.
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