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Des milliards d’étoiles singulières

Regardez un beau ciel étoilé! Première impression (si l’atmosphère est bien transparente): une multitude d’étoiles dorées piquées sur la sphère céleste. Mais regardez plus attentivement et vous distinguerez, bien sûr, des étoiles plus brillantes que d’autres, mais aussi des étoiles très bleues ou très blanches ou très rouges: chaque étoile est singulière!
Chaque étoile est singulière par sa luminosité propre, mais, plus elle est loin, plus nous la voyons faible. Chaque étoile est singulière par sa couleur, sa température, les composants chimiques présents dans son atmosphère, son âge, mais aussi sa position et sa vitesse dans notre galaxie, la Voie lactée.

Qu'est-ce-que c'est?

Notre Soleil est une étoile très banale, une naine jaune, boule de gaz essentiellement composée d’hydrogène et d’hélium. Son diamètre est d’environ 1,4 millions de km pour une masse de 2000 millions de tonnes. Sa température est d’environ 15 millions de degrés en son centre et de 5400°C à la surface. Il y a des étoiles beaucoup plus grosses ou beaucoup plus petites que le Soleil, certaines sont plus chaudes, d’autres plus froides, mais toutes sont des boules de gaz si chaud que les atomes et les molécules y sont ionisés. Leur cœur est le siège de réactions nucléaires violentes dont une partie de l’énergie rayonne à différentes longueurs d’onde: dans le visible, mais aussi en rayons X ou gamma, ou en ondes radios ou infrarouges.
Notre Galaxie contient environ 200 milliards d’étoiles. A l’œil nu, on n’en voit que quelques milliers, mais un télescope nous permet de voir que la Voie Lactée est un ensemble d’étoiles innombrables. Certaines étoiles sont seules (on dit alors une étoile simple), mais beaucoup sont dans des systèmes de deux ou plusieurs étoiles, ou même dans des amas d’étoiles, liées par la gravité. On observe des amas ouverts, peu concentrés et regroupant quelques dizaines à quelques milliers d’étoiles, et des amas globulaires, très concentrés et regroupant jusqu’à des millions d’étoiles. Toutes les étoiles d’un même amas se sont généralement formées au même moment à partir du même nuage de gaz et de poussières: elles ont le même âge et la même composition chimique.

Pourquoi l’étudie-t-on?

Les étoiles sont l’un des constituants essentiels des galaxies, avec le gaz, la poussière et la matière noire, invisible. Dans une galaxie comme la nôtre, la Voie lactée, il y a différentes populations d’étoiles: des jeunes, regroupées dans un disque plat, le plan de la Galaxie, des plus anciennes, qui forment un disque plus épais, des beaucoup plus vieilles qui flottent dans le halo ainsi que les amas globulaires et, enfin, un mélange d’étoiles de générations différentes qui sont regroupées dans le bulbe central de la Voie lactée.
Avec un décollage réussi en décembre 2013, la mission spatiale Gaia de l’Agence Spatiale Européenne va observer un milliard de ces étoiles pour permettre aux astronomes de retracer l’histoire de la Voie lactée, depuis sa formation jusqu’à sa situation actuelle. L’équipe du laboratoire Galaxies, Etoiles, Physique et Instrumentation (GEPI) travaille sur de nombreux aspects de Gaia depuis... 1998! Ses intérêts sont la simulation des traitements de données, en particulier les données spectroscopiques, le prototypage du logiciel de bord, l’étude des systèmes d’étoiles multiples et des classifications des étoiles chaudes.
Le laboratoire SYstèmes de Référence Temps Espace (SYRTE) s’intéresse spécialement aux étoiles qui peuvent servir de points d’ancrage dans le ciel pour établir un système de référence précis auquel raccorder toutes les mesures de positions et de mouvements, dans le ciel comme sur la Terre.

Quel est l’âge de cette étoile?

Les étoiles évoluent au cours de leur vie en changeant de couleur et d’éclat. De plus, elles grossissent, grossissent ... au point de devenir des géantes ou même, pour certaines, des super-géantes jusqu’à des centaines de fois plus grosses que notre Soleil, et de finir par exploser. Les étoiles les plus massives évoluent beaucoup plus vite et ont une durée de vie beaucoup plus courte que les moins massives : quelques millions d’années à comparer à quelques milliards. Le Soleil, étoile naine jaune de faible éclat, deviendra dans quelques milliards d’années une géante rouge très grosse et très brillante.
La plus utilisée des méthodes pour estimer l’âge des étoiles exige de connaître les couleurs et luminosités propres pour les comparer à des modèles théoriques. La couleur d’une étoile est une indication de sa température, les plus bleues sont les plus chaudes, leur température atteint les 30 000°C, les plus froides sont les plus rouges et leur température peut « descendre » jusqu’à 3000°C. Le Soleil, lui, a une température d’environ 6000°C en surface, contre 15 millions de degrés en son centre. Les couleurs sont mesurées en comparant les luminosités apparentes des étoiles avec des filtres colorés.
Pour déterminer la luminosité propre d’une étoile, c’est plus compliqué: il faut mesurer sa luminosité apparente, mais aussi sa distance. C’est un des objectifs de la mission spatiale Gaia. Les âges d’un milliard d’étoiles pourront ainsi être déterminés: une large fenêtre sur l’histoire de la Galaxie dans son ensemble va s’ouvrir.

Comment peut-on peser une étoile?

Connaître la masse des corps célestes est essentiel pour comprendre comment ils sont constitués, la manière dont ils ont été formés et leur évolution possible: la durée de vie d’une étoile par exemple dépend de sa masse. Comment procéder? Grâce à la loi universelle de la gravitation, il est possible de peser des corps célestes s’ils sont en interaction avec un compagnon. Cela s’applique aussi bien aux étoiles, qu’aux exoplanètes, satellites, astéroïdes...: il suffit qu’ils aient une masse!
Une pomme (légendaire) qui tombe sur la tête de Newton, la Lune qui tourne autour de la Terre, des astéroïdes qui orbitent l’un autour de l’autre (dits “binaires”) ou des étoiles binaires, voilà des manifestations de la loi de la gravitation. Si l’on sait comment peser ces astres binaires, c’est d’abord grâce à Johannes Kepler (1571-1630), qui a étudié les orbites des planètes autour du Soleil. Il a trouvé une relation très pratique entre la période de l’orbite, la distance entre les corps et leurs masses: si l’on mesure les deux premiers, on peut peser les corps!
La mission spatiale Gaia va mesurer très précisément les orbites de nombreux corps. On s’attend ainsi à calculer la masse de centaines de milliers d’étoiles binaires et de milliers de nouvelles exoplanètes tournant autour de leur étoile. On pourra également peser des ménages à trois (ou plus), mais ils sont plus rares parmi les étoiles car moins stables, c’est bien connu!