Le journal du cnrs numéro 228/229 Janvier février 2009 titre : Univers, les mystères des origines

Ainsi naissent les étoiles

Au sein des galaxies existent des nuages froids où naissent des myriades de futurs brasiers : les étoiles. Ces pouponnières stellaires – ou nuages moléculaires, comme les appellent les astronomes – gardent jalousement leur secret : elles n'émettent pas de lumière visible et apparaissent sur les clichés astronomiques comme des régions sombres qui se détachent sur les voiles colorés. « Il s'agit de zones où le gaz est dense : 1 000 à 10 000 particules par centimètre cube alors qu'ailleurs, au sein du milieu interstellaire, flottent entre 1 et 100 particules par centimètre cube. De plus, ces régions sont exemptes d'étoiles qui pourraient les chauffer », précise Patrick Hennebelle, du Lerma. Résultat : la température oscille autour des – 263 °C (soit 10 K).

La gestation

Grâce à des simulations numériques et aux observations depuis les télescopes au sol, les astronomes ont toutefois réussi à reconstituer dans ses grandes lignes la naissance et l'évolution des étoiles. Tout débute par un effondrement : un noyau d'environ un millième de masse solaire, composé de poussières et de gaz, se contracte brusquement – on dit qu'il s'écroule – sous l'effet de sa propre gravité, s'isole ainsi du gaz alentour, s'échauffe et forme un embryon d'étoile : une protoétoile. Une petite fraction de son cocon de gaz et de poussière forme alors un disque autour de l'astre naissant, qui brille déjà, « chauffé par sa contraction », précise Nicolas Grosso, de l'observatoire astronomique de Strasbourg (Laboratoire CNRS Université Strasbourg 1). Quand sa température centrale atteint environ 10 millions de degrés, les réactions de fusion thermonucléaire démarrent, l'étoile convertit alors son hydrogène en hélium, à l'instar de notre Soleil et de la très grande majorité de ses consœurs. Le long chemin de son évolution commence donc par cette phase que les astronomes appellent « séquence principale », et qui peut durer de quelques millions – pour les plus massives – à plus de dix milliards d'années pour les « poids plume », dont la masse ne dépasse pas un dixième de celle du Soleil. Mais que se passe-t-il donc à l'intérieur de ces astres ? Récemment, le satellite Corot, du Cnes, a mesuré les vibrations de la surface de trois étoiles similaires à notre Soleil (on parle alors de sismologie stellaire). La hauteur de ces tremblements a permis d'émettre des hypothèses sur la structure interne de ces étoiles, puisqu'un objet creux ne vibre pas comme un autre taillé dans la masse. Les astronomes espèrent ainsi connaître l'épaisseur d'une partie de la zone convective.

Des ombres au tableau

Quoi qu'il en soit, le schéma général est le suivant : au fil de son évolution, l'étoile brûle d'abord son hydrogène. Une fois celui-ci transformé en hélium au centre, la fusion de l'hydrogène périphérique démarre brutalement, et l'astre devient alors une « géante rouge » qui continuera à briller grâce à la combustion d'éléments de plus en plus lourds… En revanche, les circonstances des naissances stellaires ne sont pas encore bien élucidées. Exemples : les astronomes sont surpris par le faible taux de natalité stellaire dans notre coin d'Univers. « En ce qui concerne les nouvelles étoiles, chaque année, la Voie lactée ne fabrique que l'équivalent de trois fois la masse de notre Soleil… raconte Patrick Hennebelle. Or, le réservoir de gaz susceptible de former des étoiles est de l'ordre de un milliard de masses solaires… Si l'on suppose que seule la gravité agit dans ce milieu, et compte tenu du temps de formation d'une protoétoile, nous devrions en former 300 fois plus par an ! » La raison de cette paresse ? Les spécialistes invoquent un phénomène qui s'opposerait à l'efficacité de la gravité. Pendant longtemps, le champ magnétique a été soupçonné : en effet, au sein des nuages moléculaires, comme dans le milieu interstellaire moins dense, règne le champ magnétique galactique. Mais il y a une objection, de taille : le champ magnétique ne peut déplacer que les particules dotées d'une charge électrique, les ions par exemple. Or le nuage froid est neutre puisque constitué de gaz moléculaire. Depuis cinq ans, un autre mécanisme est donc pointé pour expliquer la faible fécondité stellaire de certaines zones de l'Univers : la turbulence. En effet, ce nuage moléculaire froid qui voit naître les étoiles serait en réalité un milieu très agité. Une agitation qui s'opposerait à l'effondrement gravitationnel qui déclenche la formation des futures étoiles. « De ce fait, la turbulence ralentirait considérablement leur taux de formation », précise Patrick Hennebelle. Et qu'est-ce qui secoue et remue ainsi le gaz des nuages moléculaires ? Les candidats ne manquent pas : de la matière éjectée sous forme de puissants jets par les étoiles jeunes, des explosions d'étoiles vieilles – les supernovae – qui propulsent dans l'espace leurs enveloppes superficielles…Une autre énigme concerne la masse des étoiles à leur naissance. Reprenons l'exemple de la Voie lactée, où se forme l'équivalent de trois masses solaires par an. Mais combien de petites, de moyennes ou de grosses étoiles ? « À leur naissance, la majorité affiche autour de 0,3 masse solaire. Puis, au gré des turbulences du milieu, certaines se trouvent emportées et traversent des régions riches en matière. Ainsi elles grossissent par accrétion de gaz », explique Patrick Hennebelle.

Une enfance agitée

Quels sont les premiers évènements dans la vie d'une étoile ? « En même temps que la protoétoile, se forme un disque en rotation autour d'elle, qui perdure quelques millions d'années », explique Jérôme Bouvier, du Laboratoire d'astrophysique de Grenoble (Laog) (Laboratoire CNRS Université Grenoble 1). Un environnement singulier : « La couronne des étoiles jeunes émet 10 000 fois plus de rayons X que le Soleil au maximum de son cycle d'activité, raconte Nicolas Grosso. Les éruptions en rayons X, d'origine magnétique, sont aussi beaucoup plus fréquentes et énergétiques que celles du Soleil. » Elles chauffent et ionisent une partie de la matière du disque qui tombe sur l'étoile. Par ailleurs, les étoiles jeunes qui reçoivent ainsi en permanence de la matière depuis leur disque, émettent elles aussi des jets de matière, perpendiculairement au disque. « Cette émission ralentit le disque qui entoure l'étoile, ajoute Jérôme Bouvier, tandis que par ailleurs, la matière du disque se trouve “soufflée” par les rayonnements X et UV de l'étoile… » Résultat : le disque circumstellaire disparaît, et l'étoile, toujours en contraction, tourne de plus en plus vite comme un patineur qui rapproche ses bras le long de son corps. Cette étape dure quelques millions d'années. « Comprendre cette prime enfance des étoiles est crucial, car c'est là que des planètes se constitueront peut-être (lire ci-dessous). » Mais une fois le disque dissipé, l'espoir de voir une planète se former autour de l'étoile s'envole définitivement. « Et, conclut Jérôme Bouvier, les réactions de fusion nucléaire débutent au sein de l'étoile », qui commence alors sa vie d'adulte.

L'Europe voit loin

L'adage est connu : l'union fait la force. C'est pourquoi le consortium européen Astronet, regroupant une vingtaine de pays dont la France et deux organisations internationales, l'Observatoire européen austral et l'Agence spatiale européenne, et financé par la Commission européenne, s'est chargé d'établir un plan prospectif dans le domaine de l'astronomie au niveau de l'Union européenne. « Étant donné l'ampleur des projets dans la discipline, c'est devenu une nécessité, explique Jean-Marie Hameury, directeur adjoint de l'Institut national des sciences de l'Univers du CNRS. Si chacun fait sa prospective de son côté, des projets peuvent être inutilement retardés. » Ainsi, fin 2008, Astronet a publié un rapport pointant les projets prioritaires, regroupés en trois catégories selon leur coût estimé. Par exemple, la première comprend le télescope de 40 mètres Extremely Large Telescope (ELT), ainsi que le futur plus grand radiotélescope du monde, Square Kilometer Array (SKA). « Les deux projets ont été considérés d'égal mérite, indique l'astronome. Mais Astronet a permis de se mettre d'accord sur un calendrier impliquant une priorité à l'ELT. Alors qu'une compétition entre les deux aurait été désastreuse. » En principe, le financement d'Astronet par la Commission européenne cessera en septembre 2009. « Notre pérennité est éminemment souhaitable », conclut le scientifique.

GLOSSAIRE

Zone convective : Couche extérieure de l'astre où la matière est brassée pour évacuer la chaleur du cœur : la partie la plus chaude monte, se refroidit et redescend. Et le cycle recommence

Azar Khalatbari

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Patrick Hennebelle, [e-mail]

Jerôme Bouvier, [e-mail]

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