cepheides

     La Lune est l’unique satellite de la Terre : situé à environ 380 000 km d’elle, c’est l’astre le plus proche de nous. Observé par l’homme depuis la nuit des temps, c’est aussi, paradoxalement, un objet assez mal connu puisque, comme on le verra, son origine est encore du domaine de l’hypothétique.

     Des satellites, il en existe beaucoup dans le système solaire (par exemple, Jupiter en possède 63 et Saturne 60) mais la Lune est le cinquième satellite en taille du système solaire et sa particularité est d’orbiter autour d’une planète tellurique (rocheuse) la Terre, alors que les autres planètes du même type n’en possèdent pas (ou de minuscules, comme  Mars). Ce grand satellite a donc une influence importante sur notre planète et on peut même penser que, sans elle, la vie n’aurait pas pu y apparaître… (Voir le sujet : Vie extraterrestre 2). Comment se fait-il donc que l’on en sache si peu sur sa formation ?

Quelques vérités sur la Lune

     La lune nous présente toujours une même face : ceci est dû au fait que sa période orbitale (le temps mis pour effectuer une orbite autour de la Terre) est identique à sa période de rotation sur elle-même. Ce n’est pas un hasard mais la conséquence au fil du temps de l’influence de la Terre sur son satellite ; en effet, les frottements induits par les marées terrestres ont progressivement ralenti la Lune jusqu’à cet équilibre. Dans le même ordre d’idées, les marées terrestres, en poursuivant le ralentissement lunaire, entraînent l’éloignement de notre satellite d’environ 3 à 4 cm par an (dans les temps anciens, la Lune se trouvait trois fois plus près d’une Terre qui tournait sur elle-même en quatre heures). On le voit donc, l’intrication entre les deux planètes est importante au point que, sans la présence de la Lune, la Terre serait fort différente… et peut-être même, comme on l’a déjà mentionné, inhabitée.

     Contrairement à que qu’on a longtemps cru, on sait aujourd’hui que la Lune est un corps différencié, c'est-à-dire que ses structures, notamment en profondeur, ne sont pas homogènes : elle possède vraisemblablement un petit noyau central, entouré d’un manteau intermédiaire et d’une croûte lunaire (plus épaisse sur la face cachée). Cette structuration ressemble fortement à celle de la Terre, à la différence toutefois de l’absence d’une activité profonde, la Lune s’étant effectivement complètement refroidie.

     La surface lunaire est, quant à elle, bien particulière : composée d’un grand nombre d’éléments consécutifs à la formation de l’astre, elle est recouverte de ce que l’on appelle le régolithe, à savoir une couche poussiéreuse variant de 3 à 20 m selon les endroits (les vallées appelées « mers » ou les hauts plateaux au régolithe plus épais). S’ajoutent à cet aspect les nombreux impacts météoritiques (puisque la Lune n’a pas d’atmosphère comparable à notre planète) qui ont profondément modifié sa surface au point que les plus violents d’entre eux ont fait apparaître par endroits le manteau ainsi mis à nu.

Origine de la Lune : la théorie initiale

     Originellement, on a estimé que la Lune se serait formée environ 50 millions d’années après la naissance du Soleil. On a alors évoqué un choc gigantesque entre la Terre encore en fusion et une planète de la taille de Mars. Les multiples débris de cette planète en se mêlant à une partie du manteau terrestre arraché par l’impact auraient alors formé un halo de poussières qui, en s’effondrant sur lui-même, aurait conduit à la formation de notre satellite : c’est la théorie de l’impact géant proposé par les chercheurs de Harvard dès les années 1950. Une condition est toutefois indispensable pour accréditer ce modèle : l’absence d’eau. En pareil cas, en effet, la température de formation de la Lune aurait été bien plus importante que celle de la Terre ce qui exclut donc totalement chez elle la présence d’eau. Et c’est bien ce que rapportèrent les premières observations des échantillons des missions Apollo (1975) concluant à une Lune complètement déshydratée.

     Toutefois, en 2008, une étude plus approfondie des dits-échantillons découvre de l’eau dans ces roches lunaires vieilles de 3 milliards d’années. Peu, il est vrai mais de l’eau quand même. On s’étonne donc fortement ! On refait les analyses et, en 2011, en étudiant finement des roches lunaires encore plus anciennes (du magma primitif), la découverte est confirmée. Il y a de l’eau sur la Lune… Cette fois, c’est sûr, le scénario de l’impact primitif ne tient plus la route. Problème.

Une découverte qui change tout

     Il y a de l’eau sur la Lune : Tintin et le capitaine Haddock avaient donc raison (relire à ce propos l’album d’Hergé, « on a marché sur la Lune »).

      Comment expliquer cette étonnante présence ?

     Comment expliquer également un autre élément troublant : les différentes sortes d’oxygène (isotopes) sont identiques sur la Terre et sur son satellite alors que les compositions isotopiques de l’oxygène des différentes planètes du système solaire sont toutes différentes les unes des autres. De là à imaginer que Terre et Lune ont une origine commune, il n’y a qu’un pas… vite franchi par certains scénarios de formation de la Lune. Quels sont donc ces scénarios ? Outre la théorie de l’impact géant (dont on connait à présent les limites), quatre explications sont avancées :

. l’hypothèse du corps étranger : la Lune serait un astre formé dans une autre partie du système solaire mais qui se serait approché de la Terre jusqu’à entrer dans son champ gravitationnel et être capturé et satellisé par elle. Invraisemblable ? Pas tant que ça puisqu’on sait avec une quasi-certitude que c’est le sort qui fut réservé à Titan, le plus important en taille des satellites de Saturne. Reste néanmoins à comprendre la trajectoire et la vitesse plutôt fantaisistes de la planète en question. De plus, l’orbite lunaire actuelle ne peut être expliquée par ce modèle (elle devrait être plus allongée) de même que les similitudes de composition des deux astres…

. l’hypothèse de la fission : ce scénario fait appel à une Terre des débuts qui, en raison d’une importante force centrifuge engendrée par sa rotation, aurait « perdu » une partie de son manteau. L’énorme masse de matière ainsi libérée dans l’espace se serait alors mise en orbite autour de notre planète jusqu’à former la Lune actuelle. Cette hypothèse présente l’avantage d’expliquer les similitudes de composition entre la Terre et son satellite. Toutefois, là aussi il existe un problème : la vitesse de rotation initiale de la Terre aurait dû être dans ce modèle extraordinairement importante et, en dépit de l’ancienneté du phénomène, on devrait encore en voir les conséquences. Ce qui, à l’évidence, n’est pas le cas.

. l’hypothèse d’une naissance commune : ici, au moment de la formation de la Terre, on imagine qu’une partie du nuage qui gravite autour d’elle se serait agglomérée sous l’effet de sa propre pression, à peu près au moment où notre planète aurait atteint les 2/3 de sa taille finale. Une origine commune donc mais avec un hic : les deux astres devraient avoir une densité identique ce qui est loin d’être le cas. Du coup, même si ce scénario est celui de la formation de la plupart des satellites des planètes gazeuses géantes, il paraît assez difficile à défendre pour l’étrange couple Terre-Lune…

. l’hypothèse de l’échange après impact : dans ce scénario, tout commence comme dans celui de l’impact géant ; toutefois, on imagine que, après le fantastique choc avec une planète de la taille de Mars, un gigantesque nuage de poussières entoure le couple Terre-Lune. La Lune représenterait alors les restes encore constitués de la planète étrangère qui aurait pu échanger matière et eau avec notre planète. Là-aussi, toutefois, il persiste un problème : en pareil cas, la Lune aurait été considérablement ralentie par les poussières jusqu’à retomber sur la Terre…

     On le constate donc, aucun des scénarios évoqués ne convainc réellement.

L’apport des météorites

     On a dit que ce qui posait problème dans le scénario de l’impact initial était la présence d’eau incompatible avec la chaleur dégagée par le choc. Et si cette eau provenait d’une autre source ? En effet, au début de leur formation et pendant environ 100 millions d’années, les deux astres ont été frappés par d’innombrables météorites provenant de la région située entre Mars et Jupiter (où il en reste encore beaucoup). Ces météorites ont très bien pu amener l’eau en question puisqu’on sait qu’ils en sont fortement pourvus. Néanmoins, ici aussi, il existe une difficulté : pour posséder aujourd’hui autant d’eau, la Terre aurait dû être « bombardée » bien plus que la Lune… ce qui ne semble pas être le cas d’après les études menées sur le sujet.

     Reste la possibilité que les échantillons rapportés de notre satellite ne soient pas représentatifs de sa teneur réelle en eau mais, pour le moment, rien ne permet de l’affirmer.

Trop d’hypothèses trop dissemblables

     On le sait bien : dans le domaine scientifique, lorsque trop d’explications différentes sont avancées, c’est qu’on ne sait pas. Quelle que soit la bonne foi des uns et des autres, l’origine de la Lune reste donc un mystère. Il faudra probablement attendre de ramener bien plus d’échantillons de notre satellite pour en savoir plus. Ce qui, selon les meilleures estimations, devrait nous faire attendre jusqu’aux années 2020-2030…

     Il est toutefois intéressant de constater que, en dépit de la progression constante de nos découvertes, une partie du ciel si proche de nous recèle encore bien des mystères. On sait à peu près comment se sont formées les premières galaxies et les premières étoiles ; on découvre chaque jour de nouvelles planètes extrasolaires ; on comprend mieux l’écologie des quasars ou des étoiles à neutrons ; on sait parfaitement étudier le cycle de vie et de mort des étoiles, etc. Pourtant, on bute encore sur la formation d’un astre, la Lune, qui nous est si proche, astronomiquement parlant, un astre qui fait partie de notre imaginaire quotidien. Cela doit certainement nous conduire à garder beaucoup de modestie.

Sources

. http://fr.wikipedia.org/wiki/Lune

. revue Science & Vie, n° 1129, octobre 2011

. revue Ciel et espace

Images

1. la Lune (sources : artic.ac-besancon.fr)

2. Phobos, satellite de Mars (sources : mysteredumonde.com)

3. regolithe (sources : de-la-terre-a-la-lune.com)

4. impact de météorite en vue d'artiste (sources : futura-sciences.com)

5. naissance commune Terre-Lune (sources :artivision.fr)

6. le cratère Aristarque (sources : jdc-meteorite.e-monsite.com)

 (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

 Mots-clés :  en construction

Sujets apparentés sur le blog

1. vie extraterrestre (2)

2. météorites et autres bolides

     Donner des noms aux objets qui nous entourent remonte très certainement à loin dans le passé. Nos ancêtres préhistoriques, dès qu’ils eurent une conscience suffisante, cherchèrent probablement à se repérer dans leur espace d’où l’élaboration d’une sorte de cartographie rudimentaire. Le ciel qui leur paraissait bien plus proche qu’il ne l’est en réalité était certainement vécu par eux comme un toit, un dôme lumineux où, régulièrement selon les jours et les saisons, réapparaissaient des points brillants qu’il leur fallut bien dénommer. Plus tard, au commencement de notre actuelle humanité, des hommes cherchèrent à identifier plus précisément ces astres qui pouvaient leur servir de repère, la nuit en l’absence du Soleil. Contrairement à ce que croient bien des gens, ce ne sont pas les marins qui imaginèrent les premiers des tracés célestes, les constellations, afin de se déplacer plus aisément, mais les caravaniers qui s’enfonçaient dans les déserts…

          Une histoire ancienne

     Les étoiles les plus brillantes possèdent de nombreux noms différents, témoignant ainsi des civilisations et cultures diverses s’étant intéressé à elles (par exemple, Véga, quatrième étoile de notre ciel par sa luminosité, possède plus de 40 noms !). Trop d’appellations assurément : c’est la raison pour laquelle, au commencement de la période moderne, on décida, comme on le verra ensuite, d’unifier cet embrouillamini. Avant, en effet, les peuples de la préhistoire qui observaient ces ciels de nuit immuables et pourtant changeants avaient très tôt attribué des symboles magiques à ces bijoux brillants qu’ils croyaient divins.

     Les étoiles les plus éclatantes ont des noms issus des langues antiques : celui, par exemple, de Sirius (la plus brillante du ciel) est d’origine grecque signifiant « celle qui dessèche » mais l’astre est en réalité un système double associant deux étoiles blanches (dont une naine) qui doit sa luminosité intense à sa proximité du système solaire. Celle qui dessèche ? C’est parce qu’il s’agit d’une traduction d’une expression égyptienne où l'on considérait Sirius comme annonciatrice de la saison chaude : en effet, l’étoile apparait juste avant le Soleil, au solstice d’été dans l’hémisphère nord. La saison chaude est, on le sait, un temps de fortes chaleurs appelée « canicule » d’où, également, le nom latin de Sirius, « canicula », la petite chienne, chez les Romains.

     D’autres noms proviennent directement du latin comme, par exemple, Régulus (le roitelet), l’Etoile Polaire (Polaris) ou la géante rouge Arcturus (« le gardien des ours » puisque proche de la Grande Ourse et de la Petite Ourse).

     Toutefois, c’est au moyen-âge que les astronomes arabes s’efforcèrent d’unifier quelque peu le grand désordre de ces noms. Ceux-ci s’inspirèrent de l’Almageste de Ptolémée, ouvrage du IIème siècle rassemblant l’ensemble des connaissances astronomiques de l’antiquité (notamment la compilation de 1022 étoiles), qu’ils traduisirent dès le IXème siècle : on comprend donc pourquoi la grande majorité des noms d’étoiles sont d’origine arabe. Citons, à titre d’exemple, Deneb (Al Dhanab, la queue), Bételgeuse (ibt al-ghül, l’épaule du géant) ou encore la géante rouge Aldébaran (al-dabarän, la suivante, car elle « suit » le groupe des Pléiades, amas ouvert d’étoiles observé depuis la plus haute antiquité).

     L’Europe occidentale eut connaissance des ces textes au XIIème siècle par des traductions espagnoles et surtout au XVème siècle par une version grecque en provenance de Byzance. Dès lors, une confusion intense s’installa : des étoiles eurent plusieurs noms sans qu’on en comprenne l’origine tandis que d’autres furent affublées de noms grecs qui concernaient d’autres étoiles. On arriva même à avoir des noms identiques pour des astres de constellations différentes. Une remise à plat du système devenait indispensable : elle eut lieu au début du XVIIème siècle.

          L’époque moderne

     C’est un magistrat allemand féru d’astronomie, Johannes BAYER (1572-1625), qui s’attela le premier à cette tâche en réalisant un atlas concernant l’ensemble de la sphère céleste (51 cartes sidérales correspondant aux 48 constellations connues de Ptolémée plus une pour le ciel du sud inconnu de l’astronome grec et deux planisphères, aboutissant à un total de 1705 étoiles). C’était un travail considérable construit à partir des observations du plus grand astronome de l’époque, le Danois Tycho Brahe, et qui fut publié à Augsbourg en 1603 sous le nom d’Uranometria.

      Plus encore, Bayer proposa une classification, encore employée de nos jours, qui désignait les étoiles selon une méthode simple : l’utilisation de lettres grecques pour les étoiles selon leur ordre de brillance au sein d’une même constellation, suivie du nom latin de la constellation concernée. Ainsi Sirius (qui conserve toujours son nom usuel pour le profane) devint alpha canis major (étoile principale de la constellation du Grand Chien) tandis que, par exemple, Aldébaran devint alpha Tauri (la plus brillante du Taureau) et Rigel, béta Orionis (la deuxième de la constellation d’Orion, derrière Bételgeuse).

     En 1862, l’astronome allemand Friedrich Wilhelm August ARGELANDER (1799 – 1875) proposa un catalogue comprenant toutes les étoiles présentes dans l’hémisphère nord jusqu’à la magnitude 9,5 ce qui concerne 459 000 étoiles. Le catalogue argentin de Cordoba complétera ce travail avec près de 580 000 étoiles de l’hémisphère sud.

      Durant ces premières tentatives de classement et de dénomination des étoiles, on aura pu constater le recours fréquent fait au système des constellations, doctrine issue de l’antiquité, mais un tel concept a-t-il encore une véritable signification de nos jours ?

          Etoiles et constellations

     Comme j’ai eu l’occasion de l’aborder dans un sujet précédent (voir astronomie et astrologie), une constellation n’est qu’une vue de l’esprit sans aucune justification scientifique (n’en déplaise aux astrologues). De quoi s’agit-il en effet ? Pour se repérer plus facilement, les Anciens avaient recours à des constructions imaginaires (d’animaux, d’objets, etc.) qui reliaient entre elles des étoiles qui n’ont rien à voir les unes avec les autres. Le seul critère retenu était celui de la luminosité apparente des astres : une étoile proche parait ainsi bien plus brillante qu’une autre peut-être beaucoup plus grosse mais plus lointaine. Du fait, ces figures ne sont en réalité visibles que de la Terre : un observateur placé sur une planète située à quelques dizaines d’années-lumière de notre Soleil verrait des constructions bien différentes… Par ailleurs, selon les civilisations (Egyptienne, Babylonienne, Chinoise, etc.), les constellations varient en noms et en représentations théoriques… Ces constellations furent regroupées une fois pour toutes en 1930 dans le Catalogue Officiel des Constellations, précisant les limites exactes des 88 d’entre elles officiellement reconnues. Il s’agit, toutefois, d’une initiative plus historique que scientifique car si on a gardé ce système, c’est uniquement pour la commodité des seuls Terriens sur leur planète : les scientifiques ont depuis longtemps renoncé à s’en servir.

          Atlas et cartes stellaires

     Nommer les étoiles, c’est bien mais il faut également les situer les unes par rapport aux autres d’où la réalisation indispensable de cartes stellaires. Précisons la signification exacte de certains termes :

     * on appelle cartes célestes la représentation graphique des étoiles dans le ciel. Elles existent sous différentes formes :

. des cartes murales présentées à plat, pliées ou roulées, de plus ou moins grand format. Sont le plus souvent représentées les étoiles visibles à l’œil nu, soit environ 6 000 astres ;

. des cartes mobiles sous la forme d’un disque coulissant dans une chemise cartonnée à découpe : on règle la découpe en fonction de l’heure et du lieu de façon à représenter la portion de ciel visible au moment choisi ;

     * les atlas dessinent le ciel graphiquement (ou en photos) à grande échelle mais, à la différence des cartes, ils comprennent plusieurs planches. La magnitude et le nom d’étoiles y figurent mais aussi parfois, des nébuleuses, des amas stellaires voire certaines galaxies ;

     * les catalogues, enfin, sont des livres dans lesquels chaque étoile est décrite avec le plus de précision possible. Ces catalogues peuvent être spécialisés ne comprenant, par exemple, que les nébuleuses planétaires, les amas stellaires ou les systèmes binaires d’étoiles.

     Pour les lecteurs intéressés, citons certains des ouvrages les plus connus : le Henri Draper catalog, le catalogue Messier, le New General Catalog, le Aitken Double Star (pour les étoiles doubles), mais il en existe bien d’autres. Chaque fois qu’on désignera un objet céleste à partir d’une de ces bases de données, on n’oubliera pas de mentionner l’abréviation de la source : par exemple, M31 pour la galaxie d’Andromède (M pour Messier) ou NGC 292 pour le Petit Nuage de Magellan, une petite galaxie satellite de la nôtre (NGC faisant évidemment référence au New General Catalog).

     Je précisais que la classification de Bayer est toujours en vigueur, en tout cas pour les étoiles jusqu’à la magnitude 7. Toutefois, les télescopes modernes ont repéré bien plus d’étoiles, des millions sans doute, et, du coup, leur nombre est trop important pour les lettres de l’alphabet grec : on a alors recours à d’autres numéros d’ordre sans se préoccuper du découpage arbitraire des constellations.

          Classement des étoiles

     Lorsqu’on lève les yeux vers le ciel par une belle nuit sans lune et sans nuages (mais également sans les lumières parasites artificielles des hommes), on ne peut qu’être frappé par la beauté du spectacle présenté par ces mondes lointains à jamais inaccessibles ; on reste même parfois ébloui par tous ces points lumineux et scintillants : ne dit-on pas de certaines nuits qu’elles sont « cloutées d’or » ? Pourtant, ce que l’œil de l’homme - même le plus aguerri – aperçoit alors n’est qu’une partie infinitésimale d’un ensemble si vaste que l’esprit peine à se le représenter…

      Mais l’être humain est ainsi fait que, même si cela lui semble difficile, il lui faut inventorier, classer, nommer. Nommer les étoiles, c’est assurément un moyen de repérer, d’identifier et donc de connaître mais, pour distinguer ces étoiles les unes des autres, on peut procéder autrement. Dans de précédents sujets (voir les sujets la couleur des étoiles et mort d'une étoile), j’avais décrit d’autres méthodes pour identifier les différentes étoiles qui peuplent notre Univers. Loin de la systématique purement descriptive que nous venons de survoler, il est en effet possible de caractériser les étoiles par leurs couleurs ou leurs interactions, voire leur évolution ou encore leurs caractéristiques physiques : n’hésitez pas à cliquer sur les liens situés quelques lignes plus haut afin d’explorer certaines de ces autres pistes.

Images

  1. la constellation d'Orion (sources : http://www.toujourspret.com)

  2. Sirius en Egypte au solstice d'été, vue d'artiste (sources : http://www.40daydetox.com/)

3. l'Almageste traduite en arabe (source : http://www.astrosurf.com/)

4. constellation du Lion dans l'Uranometria de Bayer (sources : http://www.flickr.com/photos/uofglibrary)

5. constellation du Scorpion (sources : http://www.clipartpal.com/)

6. exemple de carte céleste mobile (sources : http://fr.wikipedia.org)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Vega - Sirius - Ptolémée - Almageste - Johannes Bayer - Friedrich Argelander - catalogue de Cordoba - catalogue Messier - New General catalog

(les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

  Sujets apparentés sur le blog :

1. astronomie et astrologie

2. céphéides

3. mort d'une étoile

4. étoiles doubles et systèmes multiples

5. la couleur des étoiles

     Dans les ciels d’avant la révolution industrielle, loin des fumées et des pollutions lumineuses d’aujourd’hui, pour peu que la nuit ait été dégagée, seules quelques nappes de brouillard en hiver ou une brume de chaleur en été pouvaient empêcher de contempler l’infini. Il suffisait de marcher quelques dizaines de mètres pour s’éloigner des villes ou des villages afin de se confronter à cet univers à la fois si proche et si lointain.

     Nombre d’objets étaient alors accessibles à l’œil humain : les étoiles et les planètes bien sûr, les premières se différenciant des secondes par leur scintillement et leur apparente immobilité entre elles. Une comète, de temps à autre, venait ajouter à ce bel équilibre son panache lumineux, porteur ici-bas d’interprétations diverses. Des nébulosités étranges que l’on ne savait pas encore décrypter complétaient ce tableau féérique, ponctué à certaines périodes de l’année par des essaims de météorites qu’on appelait étoiles filantes. Parfois, mais rarement, des intrus venaient se mêler à ce spectacle si connu parce qu’observé tant de fois au fil des saisons : des étoiles nouvelles. Ces apparitions fort inattendues étaient effectivement bien des étoiles – leur scintillement le prouvait – mais ces astres souvent très lumineux au point d’éclipser leurs compagnes éphémères ne vivaient que peu de temps, quelques semaines voire quelques mois au plus. On les appela novas.

     La chronique a retenu l’apparition de quelques unes de ces novas, souvent corrélées à un événement important de notre histoire afin d’en tirer une signification magique. Ainsi, en 1006, les astronomes du monde d’alors, Européens, Japonais, Chinois, Egyptiens, Irakiens, d’autres peut-être encore, mentionnèrent l’apparition d’une étoile nouvelle, probablement la plus brillante observée durant les temps historiques : l’astre resta visible près d’un an et les écrits mentionnent que son éclat était si intense que, mis à part le Soleil, c’était la seule étoile capable de produire des ombres à la surface de la Terre. Quelques années plus tard, en 1054, une autre nova défraya la chronique, surtout en Extrême-Orient, où elle fut observée pendant près de deux ans, restant durant trois semaines visible en plein jour, tandis que ses restes, la nébuleuse dite du Crabe, ne furent identifiés par les Européens qu’au XVIIIème siècle.

     Ces « étoiles nouvelles »  sont rares : les statistiques nous disent qu’elles ne sont que deux ou trois par siècle dans la Voie lactée… Toutefois, depuis qu’existent les instruments de l’époque moderne, aucune nova n’y a été repérée, les seules récemment visibles appartenant à des galaxies extérieures ! Alors que sont au juste ces astres fugaces ?

Novas

     Il convient de bien saisir avant toutes choses que novas et supernovas sont de nature très différente et qu’elles ne doivent donc pas être confondues. Presque toujours, les astres décrits dans les temps historiques comme étant des novas sont en réalité des supernovas, des entités sur lesquelles nous reviendrons secondairement.

     Une nova, quant à elle, est une étoile qui, brutalement, voit son éclat extraordinairement amplifié, parfois jusqu’à dix fois sa valeur de base, avant, au bout de quelques jours, de revenir à sa brillance initiale. Il s’agit, en réalité, non pas d’une étoile mais d’un système binaire (voir le sujet : étoiles doubles et systèmes multiples) qui, à un moment de son existence, se trouve déséquilibré : on a le plus souvent affaire à un vieux système stellaire associant une naine blanche à sa compagne devenue une géante rouge (voir le sujet : mort d’une étoile). Cette dernière en gonflant démesurément va perdre une partie de sa masse au profit de la naine blanche qui la capte en formant autour d’elle un disque d’accrétion finissant par tomber à sa surface. Les gaz provenant de la géante rouge sont surtout de l’hydrogène et de l’hélium et la naine blanche, en raison de son énorme gravité, va les écraser. Ces gaz sont alors portés à des températures extrêmes au point, la masse critique une fois atteinte, d’entraîner une explosion thermonucléaire par transformation de l’hélium en métaux plus lourds : les gaz de surface sont alors projetés dans le vide, l’énergie libérée entraînant un éclat intense mais qui dure peu. Le phénomène se reproduira tant que la géante rouge aura des matières à fournir à la naine blanche (il arrive que, sous la violence du choc, la naine blanche explose mettant ainsi fin au processus).

     On connaît des novas qui ont déjà vécu plusieurs explosions successives toutes marquées par l’augmentation temporaire de leur éclat (cas, par exemple, de RS Ophiuchi qui a subi six « éruptions » depuis un peu plus de cent ans). A chaque fois qu’une explosion se produit, là où il n’y avait jusqu’alors rien dans le ciel, apparaît un astre nouveau, une nova, dont l’existence sera extrêmement brève. Les astronomes connaissent bien ce type d’objets mais ces novas, finalement pas assez intenses compte tenu de l’éloignement, ne sont pas celles que virent les anciens des siècles passés : il s’agissait presque toujours d’un autre type de phénomènes liés à ce qu’on appelle des supernovas.

Supernovas

     Effectivement, ce sont bien des supernovas que les anciens ont observé dans le passé car l’énergie dissipée par le phénomène est bien plus grande que les " simples novas " dont nous venons de discuter. Le rayonnement énergétique d’une supernova – et donc la brillance – est tel qu’il peut égaler celui d’une galaxie entière (qui, rappelons-le, renferme environ 200 milliards d’étoiles). C’est la raison pour laquelle on peut observer la « nouvelle étoile » en plein jour, même s’il s’agit d’une supernova ayant explosé dans une galaxie proche (comme, par exemple, la galaxie d’Andromède) pourtant séparée de la Voie lactée par des milliards d’années-lumière. Quel peut donc être le phénomène qui conduit à une telle débauche d’énergie pendant des mois ?

     Il existe deux mécanismes différents :

* l’un correspond à ce que nous avons évoqué plus haut en parlant des simples novas : parfois, lorsque, dans un couple stellaire, le cadavre d’étoile qu’est une naine blanche « attrape » trop de matière provenant de son compagnon, il finit par exploser : on parle alors de supernova thermonucléaire (ou de type I);

* l’autre processus est bien différent : ici, pas de système binaire mais une énorme étoile en fin de vie, un astre dont la masse est supérieure à au moins huit masses solaires : nous avons déjà évoqué ce phénomène dans le sujet : mort d’une étoile. On parlera ici de supernova par effondrement de cœur (ou de type II).

     Voyons cela d’un peu plus près.

Processus conduisant à la formation des supernovas

          * supernovas de type thermonucléaire

     On a donc affaire à une naine blanche, dernier stade évolutif d’une étoile de masse inférieure à huit masses solaires (la grande majorité) qui, normalement, s’éteint progressivement pendant des milliards d’années jusqu’à devenir une naine noire, simple conglomérat de matière inerte. Toutefois, plus d’une fois sur deux, ce reste d’étoile fait partie d’un système multiple comprenant une autre étoile également en fin de vie mais à un stade moins avancé comme une géante rouge. L’expansion de cette géante, on l’a dit, provoque l’attraction de matière sur la naine d’où les phénomènes de simple nova. Toutefois, il arrive que la naine attire finalement trop de matière (on parle alors de limite de Chandrasekhar) et la pression interne de celle-ci devient trop faible pour contrebalancer sa gravité propre : la naine s’effondre sur elle-même entraînant l’allumage des atomes de carbone et d’oxygène qui la composent. A la différence des étoiles en cours de vie, la naine ne peut pas se dilater : les réactions de fusion s’amplifient et tout se termine dans une gigantesque explosion thermonucléaire, l’énergie alors libérée expliquant la soudaine luminosité.

          * supernovas à effondrement de cœur

     On l’a déjà évoqué par ailleurs, une étoile dont la masse est supérieure à huit masses solaires va terminer sa vie en étoile à neutrons. Ces étoiles, à la différence de leurs sœurs moins massives (comme le Soleil) qui meurent lorsqu’elles ont épuisé leur réserve d’hélium, sont le lieu de réactions plus complexes. Du fait de leur masse énorme, de nouvelles réactions nucléaires sont présentes chez elles qui conduisent en fin de cycle à la création d’atomes de fer, atomes très stables et incapables de fusionner. Ce cœur de fer ne peut que s’effondrer sur lui-même dans ce qu’on appelle une pression de dégénérescence pour aboutir à la formation de neutrons (d’où le nom d’étoiles à neutrons). Dans le même temps, les couches extérieures de l’étoile s’effondrent aussi et vont rebondir sur le noyau de fer incompressible. Le résultat ? Une terrible onde de choc qui va souffler l’enveloppe de l’étoile et l’expulser dans le vide à des vitesses considérables (plusieurs milliers de km par seconde). Cette extraordinaire débauche d’énergie fait briller l’étoile comme des milliards de soleils… Une fois l’intense luminosité passée, on ne voit plus, à l’endroit de l’explosion, que les restes en expansion rapide des couches externes de l’étoile : on parle alors de « rémanent de la supernova ». Ce sont ces restes que nos télescopes peuvent voir sous la forme de la nébuleuse du Crabe, derniers vestiges de la supernova de 1054.

          * hypernovas

     Les étoiles hypermassives (30 à 40 masses solaires) peuvent terminer leur vie en hypernova, c'est-à-dire se transformer directement en trous noirs : il s’agit là d’un phénomène encore hypothétique mais susceptible d’expliquer les sursauts gamma, ces explosions soudaines d’énergie figurant parmi les plus fortes de l’Univers.

Les novas, marqueurs de notre imaginaire

     Les apparitions soudaines de ces étoiles nouvelles ont profondément marqué l’imaginaire de nos ancêtres qui y voyaient une manifestation divine pour certains ou le présage annonciateur de catastrophes pour d’autres. Dans tous les cas, on craignait ces transformations inattendues du ciel. Et si les principales observations de tels phénomènes proviennent de l’Orient, c’est que, sous nos latitudes, jusqu’à la révolution copernicienne, on estimait que, selon les Ecritures, le ciel ne pouvait être  qu’immuable (voir le sujet : la Terre, centre du Monde). Rien ne devait bouger dans l’Univers supralunaire…

     Il s’agit pourtant de phénomènes parfaitement explicables et même nécessaires puisque la mort de ces étoiles massives permet l’ensemencement des galaxies en atomes lourds qui n’existaient évidemment pas avec la première génération d’étoiles, celles qu’on appelle « primordiales ». On pense même que notre propre système solaire a pu « s’allumer » à la suite de l’explosion d’une supernova proche… Quoi qu’il en soit, il est certain que sans ces astres du temps jadis le Soleil et son système planétaire ne seraient certainement pas ce qu’ils sont : un endroit propice à la Vie.

Images

1. ciel nocturne sur Flagstaff, Arizona (sources : http://apod.nasa.gov)

2. supernova 1994D dans la galaxie NGC5426 (sources : http://www.pixheaven.net)

3. nébuleuse du crabe (sources :  amicaldauphin.spaces.live.com)

4. dessin d'artiste d'un couple stellaire conduisant à une nova (sources : http://www.futura-sciences.com)

5. supernova 2005df (sources : http://web.cala.asso.fr)

6. mécanisme de formation d(une supernova de type I (sources : http://www.odyssespace.fr)

7. vue d'artiste d'une supernova de type II (sources : http://francais.istockphoto.com)

8. rémanent de la supernova Tycho de 1572 (sources : http://www.universetoday.com)

   (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : nova de 1006 - nova de 1054 (nébuleuse du Crabe) - système stellaire binaire - naine blanche - géante rouge - disque d'accrétion - limite de Chandrasekhar - étoile à neutrons - rémanent de supernova - sursauts gamma - étoiles primordiales

  (les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

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Pour admirer les étoiles, la recette est simple : il faut choisir une belle nuit sans Lune et sans nuages et s’installer confortablement dans un coin sombre, à l’abri des lueurs dérangeantes de la civilisation. Durant cinq à six minutes environ on laisse alors ses yeux s’habituer peu à peu à l’obscurité. De cette noirceur où flottaient difficilement quelques étoiles émergent progressivement des millions de points lumineux comme autant de diamants scintillants… Des millions ? Non, seulement quelques milliers, même pour l’œil le mieux aguerri, mais l’impression de foisonnement de ces minuscules lumières est si impressionnante que l’on se sent incroyablement petit sur notre coin de Terre.

Beaucoup d’anciens pensaient d’ailleurs qu’une sphère de velours sombre entourait notre planète en un écrin constellé de pléiades de pierres précieuses auxquelles, par leur proximité apparente, ils appliquaient des géométries compliquées en rapport avec leurs croyances d’éternité. On sait aujourd’hui que ces figures, les constellations, ne sont que des constructions imaginaires uniquement reliées par leurs luminosités relatives… Mais le bestiaire cosmique ainsi inventé est si riche que, encore de nos jours, on y fait souvent référence.

Si, au moyen d’un outil amplificateur comme, par exemple, une paire de jumelles, on tente d’explorer un par un ces astres lointains, il nous apparaît subjectivement qu’ils ne sont pas tous identiques  et que leur éclat semble variable. Et, en fait, leurs aspects sont dissemblables car, c’est vrai, les étoiles nous parlent : elles chantent et leurs mots sont en couleur.

Des interrogations anciennes

Deux siècles avant J.C. les savants grecs se posaient déjà des questions sur la répartition des astres dans le ciel. C’est à Hipparque (vers 190 av. J.C. - 120 av. J.C.) que revint le mérite de chercher à classer les étoiles en 6 grandeurs par ordre d’éclat décroissant (étoiles de première grandeur pour les plus brillantes jusqu’à la sixième grandeur pour les moins lumineuses). Toutefois, ce classement pouvait prêter à confusion puisque se rapportant à la taille de l’étoile. On abandonna donc cette approche pour parler de magnitude apparente, des magnitudes séparées par un écart de brillance d’un échelon de 2,5. En d’autres termes, une étoile de magnitude 2 est 2,5 fois plus brillante qu’une étoile de magnitude 3 ce qui revient à dire que plus la magnitude d’une étoile est élevée, moins elle est brillante.

Ce système de magnitude apparente est trompeur car il ne correspond pas à la luminosité véritable de l’astre étudié en raison de sa distance qui est variable par rapport à la Terre : un astre peu lumineux peut, en réalité, l’être beaucoup mais c’est son éloignement qui le rend difficile à discerner. On introduisit en conséquence la notion de magnitude absolue en imaginant l’éclat de l’étoile observée si, comparée à ses sœurs, elle se trouvait à la même distance de la Terre que toutes les autres. On décida de retenir le chiffre de 10 parsecs (32,61 années-lumière) comme étalon standard de distance.

C’était assurément un progrès mais on décida de compléter le calcul avec celui de la couleur des étoiles qui donne, comme on le verra, une indication sur la chaleur de leur surface. On obtint ainsi les caractéristiques spectrales de chaque groupe d’astres, une classification encore en usage aujourd’hui, classification codifiée au début du XXème siècle par deux astronomes américains de l’observatoire d’Harvard, Antonia Maury (1866-1952) et Annie Cannon (1863-1941). Ajoutons que, pour tenir compte des différences de luminosité et de taille, les astronomes décidèrent de classer les astres selon leur éclat dans chacun des groupes identifiés.

Aujourd’hui, on sait donc plutôt bien « classer » réellement les étoiles d’après leurs caractéristiques : taille, éloignement, éclat et couleur. Mais justement pourquoi nos amies les étoiles peuvent-elles être de couleurs différentes ?

La couleur des étoiles

De la même façon que les étoiles sont de taille variable, elles ne sont pas toutes de la même couleur et cette couleur dépend de leur température et de leur âge. Au premier abord, c’est vrai, elles semblent blanches mais, comme nous le remarquions précédemment, si l’on observe plus attentivement chacune d’entre elles, on retrouve des teintes très souvent différentes : bleu, blanc, rouge, orangé, blanc-vert parfois et, d’une façon plus générale, nombre de nuances intermédiaires. Longtemps, cette disparité est restée sans explication et ce n’est qu’au début du XXème siècle qu’on a pu mieux la comprendre en définissant la physique du corps noir. Qu’est-ce qu’un corps noir, me direz vous ? Il s’agit en fait d’un objet idéal qui absorbe toute l’énergie électromagnétique sans n’en rien retransmettre : puisque la lumière est une onde électromagnétique, elle sera donc totalement absorbée par un corps noir. Considérons à présent une étoile comme un corps noir (un corps noir – c’est parfois difficile à saisir – n’est pas forcément noir mais seulement un objet qui ne réfléchit rien) : les courbes lumineuses émises par l’étoile elle-même lui sont donc propres, intégralement créées par elle. Puisque que l’on a remarqué que le spectre des étoiles était très semblable aux courbes de radiations d’un corps noir porté à différentes températures, la conclusion s’impose d’elle-même : les variations de couleur des étoiles sont la conséquence directe de leur température de surface et uniquement de cette température.

Plus une étoile sera chaude, plus elle aura un spectre important dans le bleu. A l’inverse, une étoile plus froide émettra dans le rouge et sera perçue comme telle.

Revenons un instant sur ces questions basiques d’optique physique : le spectre « continu visible » s’étend de 400 nm à 800 nm (nm signifiant nanomètre soit le milliardième du mètre). Vers 400 nm, on observe une couleur bleue (en dessous, c’est l’ultraviolet, non visible par l’œil humain mais accessible à l’œil de l’abeille) tandis que vers 800 nm on est dans la couleur rouge (et, au-delà dans l’infrarouge non visible). L’étude du spectre stellaire donnera donc une longueur d’onde dominante associée à la couleur et caractérisant la température de l’étoile étudiée. Prenons quelques exemples :

* Bételgeuse (alpha orionis) est une supergéante rouge de magnitude 1, située dans la constellation d’Orion à environ 500 années-lumière de la Terre, et accessoirement la 9^ème plus brillante étoile du ciel. Mille fois plus grosse que le Soleil, elle rayonne comme 100 000 Soleils réunis. Bien que jeune, elle est en fin de vie et explosera dans quelques milliers d’années en supernova. Son cœur s’effondre lentement, provoquant une gigantesque expansion de son rayon et donc la baisse de sa température de surface ce qui explique sa couleur rouge.

* Rigel (beta orionis) est une supergéante bleue qui fait également partie de la constellation d’Orion et est située à plus de 900 années-lumière de la Terre (ce qui, au passage, démontre l’absurdité de la notion de constellation). Septième étoile la plus brillante du ciel, elle est bien plus petite que Bételgeuse (84 fois la taille du Soleil) ce qui explique sa chaleur de surface notoirement plus élevée et donc sa belle couleur bleue. Pour l’anecdote, remarquons que cette supergéante fait partie d’un système ternaire puisque deux autres étoiles, Rigel B et Rigel C, gravitent avec elle en un système compliqué. Elle aussi a une espérance de vie courte et explosera probablement en un trou noir.

* le Soleil : la dominante spectrale de notre Soleil se situe vers 500 nm et donc dans le vert. Toutefois, l’ensemble de son spectre lui confère la couleur jaune qu’on lui connait, intermédiaire en quelque sorte entre les deux géantes que nous venons d’évoquer…

Les astronomes se sont donc retrouvés face à un véritable kaléidoscope de couleurs et, dès le XXème siècle, ils ont cherché à y mettre un peu d'ordre. Première méthode logique retenue : classer les étoiles selon les éléments chimiques identifiés à leurs surfaces. Ils ont ainsi répertorié sept groupes distincts qu'ils ont ensuite décliné en ordre décroissant de température et désigné par les lettres O, B, A, F, G, K et M. Difficile de s'en rappeler ? Les scientifiques américains ont proposé l'amusant petit moyen mnémotechnique suivant : " Oh Be A Fine Girl, Kiss Me ! "...

De ce fait, une étoile comme Lambda d'Orion, une géante bleue dont la température de surface atteint les 35 000°, est classée dans le groupe O tandis que le Soleil (naine jaune à la température de surface égale à 5 000°) est de classe G et les étoiles rouges comme Antarès (3 600°) sont rassemblées dans le groupe M.

Toutefois - rien n'est jamais simple - tout cela était encore un peu imprécis et, du coup, chaque groupe a été subdivisé en 9 sous-groupes de telle façon que le Soleil est en fait une étoile classée de type G2 (plus froide qu'une G1 mais plus chaude qu'une G3)... Comme on va le voir, cette classification, certes pratique, n'est pas la seule.

Le fait de connaître la couleur (et donc la chaleur) d’une étoile corrélée à sa taille permet de connaître sa durée de vie, le stade où elle se trouve et, bien sûr, la manière dont elle mourra.

La vie des étoiles

On peut également classer les étoiles selon les différents stades de leurs existences. Dans un sujet précédent (voir : mort d'une étoile), j’avais décrit les différents types d’étoiles et leur avenir : en voici les principales lignes (pour plus de détails, on se reportera au texte indiqué).

* les étoiles peuvent être (sommairement) classées de la façon suivante :

a. les naines rouges, soit environ 80% des étoiles : elles sont relativement petites (moins de 0,8 masse solaire) et d’une grande longévité ; si grande même que, depuis le Big bang elles n’ont pas encore eu le temps de mourir. Leur chaleur est faible ce qui explique leur couleur. A titre d’exemple, Proxima du Centaure, notre plus proche voisine, est l’une de ces naines rouges.

b. les naines jaunes (10% des étoiles) : plus chaudes que les précédentes, leur masse est comprise entre une et huit masses solaires et c’est typiquement le cas de notre Soleil. Leur espérance de vie est encore respectable, environ 10 milliards d’années. Lorsque tout leur carburant nucléaire sera épuisé, elles se transformeront en

c. géantes rouges : la dilatation considérable à ce stade des couches externes de l’étoile combinée à l’effondrement de son cœur explique la couleur rouge de l’enveloppe stellaire, plus froide car à distance du centre.  Le stade ultime de l’évolution de ce type d’étoile, lorsque que ne restera plus que son cœur nu (l’enveloppe s’étant dispersée dans l’espace) est celui d’une

d. naine blanche : de la taille d’une planète, cet astre est composé de manière dégénérée hyperdense, incapable d’entretenir la moindre réaction thermonucléaire. Il s’agit donc déjà d’un cadavre d’étoile qui va progressivement s’éteindre au fil de millions d’années pour devenir une

e. naine noire : ces restes d’étoiles sont probablement nombreux dans l’univers mais, par définition, ils ne sont pas visibles.

f. les supergéantes bleues sont des étoiles jeunes massives (plus de 10 masses solaires) et extraordinairement lumineuses. Compte tenu de leur taille, leur espérance de vie est courte ; elles finissent par épuiser rapidement leur carburant nucléaire pour devenir des

g. supergéantes rouges (toujours par le même mécanisme d’expansion qui refroidit leurs couches externes) et explosent en supernovas (voir le sujet novas et supernovas), voire même en trous noirs (voir le sujet trous noirs) pour les plus massives d’entre elles Elles ne représentent que quelques pourcents de l’ensemble.

On peut donc réunir ces différentes populations d’étoiles dans un diagramme spécifique (diagramme HR) bien qu’il soit parfois difficile de déterminer précisément les caractéristiques de chacune, ne serait-ce que parce que les observations sont rendues malaisées lorsqu’existent des systèmes multiples d’étoiles (environ 50% des cas).

* Le diagramme HR dit de Hertzsprung-Russel permet de corréler luminosité et chaleur des étoiles et donc de définir leurs différentes populations et établir ainsi l’évolution stellaire. On peut alors constater que la majorité des étoiles se situe sur une ligne du diagramme appelée séquence principale où ces astres passeront la plus grande partie de leur vie tandis que ne s’en échappent que les atypiques comme les supergéantes ou ceux qui sont en fin de vie.

Evolution stellaire

Les étoiles, comme toutes choses en ce bas monde, ont une évolution – on pourrait dire une vie – parfaitement prévisible. Leur aspect renseigne ceux qui se donnent la peine de les observer. Leurs mots sont en couleur, disais-je en préambule, et ces mots nous expliquent l’univers dans lequel nous vivons. Ils nous font notamment comprendre combien le Soleil, qui est une étoile bien banale mais si particulière pour nous, est important puisqu’il autorise la vie – notre vie - sur cette planète.

Images :

 1. l'amas ouvert NGC 3603 (sources : philippe.boeuf.pagesperso-orange.fr )

2. Hipparque (sources : www.dimensions-math.org)

3. Aldébaran et Sirius (sources : www.webastro.net) 

4. Bételgeuse et Rigel (sources : www.webastro.net) 

5. la Croix du Sud (sources : http://antwrp.gsfc.nasa.gov )

6. Beta Cephi, une binaire bleue (sources : http://a.gerard4.free.fr)

7. diagramme de Hertzsprung-Russell (sources : http://fr.wikipedia.org)

  (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Brêve : la couleur des étoiles

     Dans l'hémisphère boréal, les nuits de juin sont les plus courtes. Le Soleil rasant l'horizon nord, le crépuscule s'étend dans la soirée, et les étoiles se font attendre...

     Les plus brillantes, Arcturus du Bouvier, l'Epi de la Vierge et Véga de la Lyre, apparaissent entre 22h30 et 23 heures. C'est entre chien et loup, lorsque le bleu du ciel s'assombrit, qu'il est le plus facile d'observer la couleur des étoiles. A l'oeil nu, Véga apparaît d'un blanc éclatant, Arcturus franchement orangée et l'Epi légérement bleuté. Si leur couleur diffère, c'est parce que leur surface de gaz n'est pas porté à la même température : de 4600°C pour Arcturus, la plus froide, donc la plus rouge, à 20000°C pour l'Epi.

(Science & Vie, n° 1125, juin 2011, p. 149)

Mots-clés : Hipparque - magnitude - corps noir - Bételgeuse - Rigel - naine rouge - naine jaune - géante rouge - naine blanche - naine noire - supernova - trou noir - supergéante rouge - supergéante bleue - digramme de Hertzsprung-Russell

(les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)

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Mise à jour : 7 juin 2011

« Il est donc d'innombrables soleils et un nombre infini de terres tournant autour de ces soleils, à l'instar des sept "terres" [la Terre, la Lune, les cinq planètes alors connues : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne] que nous voyons tourner autour du Soleil qui nous est proche. » (Giordano Bruno, L'Infini, l'Univers et les Mondes, 1584).

Giordano Bruno était un moine dominicain qui, à la suite des travaux de Copernic, s’était persuadé que l’Univers était infini et peuplé d’une multitude de soleils comme le nôtre, des étoiles entourées de planètes recelant peut-être la Vie. Déclaré hérétique par l’Inquisition, il fut, au terme d’un procès de huit ans, condamné à être brûlé vif en place publique le 17 février 1600. Il n’avait qu’un seul tort : celui d’avoir eu raison trop tôt car, depuis la première découverte de 1995, on sait aujourd’hui que des planètes extérieures au système solaire, il y en a beaucoup : peut-être plus que d’étoiles qui se comptent pourtant en milliards de milliards… Le problème est qu’il est effectivement difficile, même pour l’astronomie moderne, de les observer. On en déjà répertorié près de cinq cents à ce jour.

Méthodes d’observation

Observer une étoile plus ou moins lointaine est facile avec les télescopes modernes même s’il ne s’agit que de celles de notre propre galaxie. Identifier le minuscule point sombre susceptible de se projeter sur la sphère aveuglante d’un soleil même peu intense est une autre paire de manches : c’est là tout le défi que se sont fixés certains astronomes recherchant systématiquement la présence indirecte de ces minuscules objets (par rapport à leurs étoiles) et cette quête a fini par payer. Comment s’y sont-ils pris ?

Identifier une planète extrasolaire est, on vient de le dire, extrêmement ardu car la distance qui nous sépare de l’étoile observée est infiniment plus grande que celle qui existe entre l’éventuelle planète et son soleil. Le pouvoir séparateur de nos instruments ne permet guère de telles observations (il faut se souvenir qu’une planète n’émet pas de lumière…). Il est donc nécessaire d’avoir recours à des méthodes indirectes qui sont principalement au nombre de quatre.

*  l’analyse de la vitesse radiale

Un système de planètes tourne autour du centre de gravité de son étoile et induit ainsi des variations infinitésimales de la vitesse radiale de l’astre par rapport à celle qui serait calculée si celui-ci était solitaire. Cette méthode – souvent difficile d’accès – sera d’autant plus performante que la vitesse radiale est élevée (planète proche de l’étoile) et la planète massive.

   *  les méthodes de transit

. soit indirecte ou transit primaire : elle est basée sur la variation de luminosité de l’étoile lorsque la planète passe devant elle. Outre le fait que cette variation est infime, encore faut-il que l’étoile soit vue par la tranche ce qui est peu souvent le cas : cette méthode, facile pour un télescope, n’a en définitive que peu identifié d’exoplanètes.

. soit semi-directe : lorsque la planète passe derrière son étoile, on peut théoriquement détecter la lumière qui provient de sa face alors éclairée qui se superpose à celle de l’étoile elle-même (on parle alors de transit secondaire)  et c’est avec le télescope spatial Hubble que cette technique a, pour la première fois, donné des résultats.

   *  l’observation directe

Comme l’astrométrie, méthode encore balbutiante, qui observe les éventuelles perturbations de la trajectoire d’une étoile sous l’effet de son système planétaire, l’observation directe par optique adaptative (corrections en temps réel) et coronographie (masques récréant des sortes d’éclipses artificielles) reste du domaine du futur (bien qu’elle ait eu déjà quelques succès) car elle exige encore bien des efforts pour le traitement des images.

   *  les lentilles gravitationnelles

Une lentille gravitationnelle (ou mirage gravitationnel) est un phénomène induit par la présence entre un observateur et la source observée d’un objet massif qui dévie les rayons lumineux : nous l’avons déjà évoqué (voir le sujet : relativité générale) car il s’agit là de l’illustration parfaite de la théorie d’Einstein sur la courbure de l’espace. Si une lentille (c'est-à-dire une étoile) passe devant une autre, la courbe de lumière de l’étoile en arrière-plan croît et décroît selon les lois très précises de l’optique gravitationnelle. Supposons alors qu’une seconde « lentille » (la planète extrasolaire) se trouve dans le même champ, la courbe change d’apparence : une minuscule anomalie lumineuse va apparaître en surimpression. L’étude précise du temps de transit devant l’étoile et celle de la courbe lumineuse en résultant va permettre de reconstituer les caractéristiques de cette planète : sa distance à son soleil,  sa masse et la durée de son orbite, autant d’éléments qui permettront de dire si l’on a affaire à une planète géante gazeuse ou à une planète tellurique (comme la Terre), cette dernière éventualité étant, on l’imagine, bien plus passionnante.

Toutes ces méthodes d’observation, à des degrés divers et parfois combinées, ont permis de cataloguer avec certitude un demi-millier de planètes extrasolaires, le plus souvent massives et gazeuses (comme Jupiter) mais pas toujours comme on va le voir.

Un peu d’histoire…

C’est le 6 octobre 1995 que des astronomes de l’observatoire de Haute-Provence ont pour la première fois annoncé la découverte d’une planète en dehors du système solaire : elle tourne autour d’une étoile située dans la constellation de Pégase (Pegasi 51), à 48 années-lumière de nous, et a été mise en évidence par la méthode des vitesses radiales. Cette planète, gazeuse, de la moitié de la taille de notre Jupiter, présente la particularité d’être située très près de son étoile dont elle fait le tour en quatre jours (cette particularité poussa les astronomes à revoir leur conception de la formation des planètes gazeuses mais il s’agit là d’un autre problème). On la nomma Pegasi b selon un nouvel usage attribuant les lettres de l’alphabet en minuscule à ces planètes. Ce fut, évidemment, une « bombe » dans le petit univers de l’astronomie mais pas seulement car je me souviens très bien que les médias du monde entier en parlèrent abondamment.

D’autres découvertes suivirent très vite : celle de nombreuses géantes gazeuses, puis d’un « système » de plusieurs planètes comme celui d’Upsilon d’Andromède, située à 44 années-lumière (en fait un système binaire associant une naine jaune de type solaire et une petite naine rouge).

La première planète tellurique (c’est-à dire comparable à la Terre) est repérée en janvier 2006 : il s’agit de OGLE-2005-BLG-390L b, dans la constellation du Scorpion. Située à près de 21 000 années-lumière, elle fait environ 6 masses terrestres et se trouve à une distance de son étoile qui la situerait dans notre système entre Mars et Jupiter. Cette planète tourne autour de son soleil en 10 ans (car son étoile est très certainement une naine rouge moins massive que le Soleil) et elle est probablement composée de roches et de glaces. On se rapproche de plus en plus de l’aspect de notre planète…

… et un peu d’imagination

Nos observations n’en sont encore qu’au début mais on peut déjà imaginer ce que pourraient être quelques unes de ces planètes lointaines dont on ne savait rien il y a encore 15 ans. Voici quelques exemples.

*  Pollux b (HD 62509) : une planète proche de sa mort

Située à 34 années-lumière d’ici, dans la constellation des Gémeaux, l’étoile de cette planète, Pollux, est mourante : il s’agit d’une géante rouge qui, dans un ou deux millions d’années, va étendre son enveloppe gazeuse par bouffées successives jusqu’à vaporiser son système planétaire. Pollux b, planète géante gazeuse d’une taille trois fois supérieure à Jupiter, subira le sort qui est réservé à notre propre globe (voir : mort du système solaire) dans beaucoup plus longtemps…

*  HD 188753 A b, la planète aux trois soleils

Située dans la constellation du Cygne, à environ 150 années-lumière de nous, cette géante gazeuse tourne très près de son étoile, une naine jaune analogue au Soleil. Mais, fait plus surprenant, deux autres étoiles orangées liées en couple tournent également autour de l’étoile centrale. Un observateur présent sur HD 188753 A b verrait donc trois soleils se lever à l’horizon ! Son découvreur l’a baptisée Tatooine, faisant ainsi allusion à la planète (fictive) qui a vu l’enfance de Luke Skywalker dans la saga de la Guerre des Etoiles.

*  Gliese 876 d : une planète en incandescence

Située trop près de son étoile, dans la constellation du Verseau, cette planète, une des plus petites découvertes à ce jour, subit très vraisemblablement une température infernale (1500 à 2000°). Elle tourne autour de son soleil en 2 jours seulement ! A la chaleur doivent certainement s’ajouter des vents d’une puissance extraordinaire : on n’a pas vraiment envie d’y aller…

*  OGLE-05-390 L b : une autre Terre

Il s’agit d’une planète de type terrestre (nous l’avons déjà évoquée) qui tourne à 315 millions de km d’une naine rouge située dans la constellation du Scorpion. Rapportée à notre propre système, cela la placerait entre Mars et Jupiter et comme il s’agit d’une planète tellurique faite de roches et de glaces, peut-être nimbée d’une fragile atmosphère, on pourrait penser qu’il s’agit là d’une autre Terre… Hélas, son étoile, on l’a dit, est une naine rouge qui ne diffuse que bien peu de chaleur. Du coup, OGLE-05-390 L b est un monde glacé dont la température se situe autour de – 200°.  On peut donc imaginer des montagnes et des vallées désolées, gelées, perpétuellement plongées dans une lumière crépusculaire…

*  HD 69830 b, c et d : les trois planètes d’un soleil moribond

On a pu mettre en évidence autour de cette étoile en fin de vie de la constellation de la Poupe un véritable système solaire : au moins trois planètes et une ceinture d’astéroïdes… Situées à 41 années-lumière de nous, deux de ces planètes sont de type terrestre quoique beaucoup plus grosses que notre globe. Elles possèdent chacune une atmosphère épaisse (toutefois probablement sans oxygène) mais, situées trop près de leur étoile, ces planètes rocheuses sont de véritables enfers carbonisés où la Vie n’a guère la chance de se développer.

*  PSR 1257+12 b, c et d : le système d’un soleil mort

Située à plus de 100 années-lumière de la Terre, l’étoile de ce système est une étoile à neutrons, c’est-à dire le cadavre d’une ancienne étoile géante explosée en supernova (voir le sujet : mort d’une étoile). Autour de ces restes stellaires tournent trois planètes, l’une très proche et de la taille de notre Lune, deux autres plus massives mais aussi plus éloignées. Ces objets ont-ils survécu à l’explosion de la supernova ou ont-ils, par un processus encore ignoré, été créés secondairement ? Impossible de l’affirmer avec certitude. Ce qui est sûr, c’est que le ciel de ces planètes doit être étrange et effrayant puisque l’étoile à neutrons centrale ne mesure que 10 km de diamètre, ses planètes étant donc bien plus grosses qu’elle. L’étoile est hyperdense et si petite : peut-on seulement l’apercevoir distinctement depuis une des deux planètes lointaines ou se confond-elle avec les autres astres de cette nuit éternelle ?

Au fur et à mesure que progresseront nos observations, nous pourrons ainsi découvrir des mondes étranges et extraordinaires. Et, sans doute - mais il faut du temps  - de nouvelles Terres….

Des milliards de milliards de planètes

L'Univers recèle tant d'étoiles (pour mémoire, une galaxie moyenne contient de 150 à 200 milliards d’étoiles et il existe des milliards de galaxies) qu’on doit y trouver un nombre inimaginable de planètes orbitant autour d’elles. La plupart sont très certainement impropres à la Vie (du moins telle que nous la connaissons) mais certainement pas toutes… Voilà qui ravive le « débat statistique de la Vie » d’Isaac Asimov auquel je faisais allusion dans le sujet : vie extra-terrestre, deuxième partie.

Ces planètes lointaines, ces étranges merveilles, sont actuellement (et pour longtemps) hors de notre portée mais savoir qu’elles existent nous permet de nous resituer dans ce monde gigantesque dont certains pensent qu’il nous appartient parce qu’il aurait été créé pour nous. Encore un fois, savoir être modeste relève de la seule et pure raison.

Images

 1. galaxie du sombrero M 104 (sources : www.chez-gerard.org)

2. Giordano Bruno (sources : 2.bp.blogspot.com)

3. méthode de transit indirecte ou primaire (sources : r.academic.ru)

4. explication d'une lentille gravitationnelle (sources : http://www.futura-sciences.com/)

5. "Jupiter" chaude (sources : www.innovationlejournal.com)

6. depuis le satellite d'une géante gazeuse (sources : http://my-blackberry.net)

7. planète d'un système multiple (sources : http://www.futura-sciences.com)

8. une planète gelée, ici Titan (sources : http://www.blog.francis-leguen.com/)

9. la Terre (sources : http://www-obs.univ-lyon1.fr)

       (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Giordano Bruno - vitesse radiale - transit primaire - transit secondaire - astrométrie - optique adaptative - coronographie - lentille gravitationnelle - planète gazeuse - planète tellurique - géante rouge - étoiles multiples - étoile à neutrons - supernova

(les mots en blanc renvoient à des sites d'informations complémentaires)