Quel est l’objet le plus dense de l’univers ? Le plus brillant ? Le plus bruyant ? Dans son nouveau livre Extreme Cosmos (Perigee, 2012), l’astronome Bryan Gaensler révèle les détenteurs des records cosmiques de ces titres et de bien d’autres. Dans un extrait ci-dessous, tiré du chapitre « Extrêmes de température », Gaensler explique la physique derrière certaines des étoiles les plus chaudes connues :
Nous savons tous que si vous chauffez quelque chose, cela brille. Un tisonnier dans un feu brille d’un orange ou d’un rouge terne, tandis qu’une ampoule classique (à incandescence) fonctionne en chauffant un filament de tungstène à plusieurs milliers de degrés, de sorte qu’il brille en jaune ou en blanc. Ce sont des cas particuliers d’un processus universel expliqué pour la première fois par le physicien allemand Max Planck : Pratiquement chaque objet (que ce soit sur Terre ou dans l’espace) rayonne de la lumière, et la couleur de cette lumière est liée à la température de l’objet.
Nous pouvons voir cet effet, connu sous le nom de « loi de Planck sur le rayonnement du corps noir », en action chaque fois que nous regardons les différentes couleurs des étoiles. Notre Soleil est une étoile raisonnablement moyenne. Sa température de surface de 9 900 degrés F se traduit par une lumière jaunâtre, exactement comme le prévoient les équations de Planck.
Betelgeuse, une étoile brillante de la constellation d’Orion, est beaucoup plus froide, environ 6 900 degrés F, et a donc, même à l’œil nu, une teinte rouge facilement identifiable. L’étoile la plus brillante du ciel nocturne, Sirius (également connue sous le nom d' »étoile du chien »), a une température de surface d’environ 18 000 degrés F, ce qui lui donne sa teinte bleutée.
Mais il existe d’autres étoiles, invisibles à l’œil nu, qui sont bien plus chaudes que Sirius. Comme nous le verrons un peu plus loin dans ce chapitre, la véritable action se passe au plus profond du cœur d’une étoile, où la furie de la fusion nucléaire génère toute la chaleur et la lumière d’une étoile pendant des milliards d’années. Mais lorsqu’une étoile typique épuise finalement tout son combustible, elle expulse la plupart de ses couches externes dans une coquille de gaz en lente expansion, exposant ainsi le noyau central. Ce noyau, une petite boule dense d’hélium, de carbone et d’éléments plus lourds, ne brûle plus de gaz par fusion nucléaire, mais il est encore incroyablement chaud. Cette braise mourante, connue sous le nom de « naine blanche », fait désormais partie des étoiles les plus chaudes de l’Univers, si chaude qu’elle éclaire le linceul de gaz expulsé qui l’entoure pour former un nuage rougeoyant exquis appelé « nébuleuse planétaire ».
Alors, à quelle température se trouve une naine blanche nouvellement formée ? L’actuel détenteur du record se trouve au cœur d’une magnifique nébuleuse planétaire. Ce nuage de gaz incandescent, désigné par les astronomes sous le nom de « NGC 6537 » mais plus communément appelé « nébuleuse de l’araignée rouge », se trouve à environ 2 000 années-lumière vers la constellation du Sagittaire. (Une année-lumière est la distance que vous pouvez parcourir en un an si vous vous déplacez à la vitesse de la lumière, soit un total d’un peu moins de 6 trillions de miles. Donc 2 000 années-lumière représentent environ 12 000 trillions de miles !)
Pendant tout le 20e siècle, la naine blanche centrale de la nébuleuse de l’Araignée rouge a échappé à la détection, et sa température est restée inconnue. Il y a deux raisons pour lesquelles de telles étoiles sont si difficiles à voir. Premièrement, il s’agit d’objets minuscules enfouis au centre même de nuages environnants brillants et lumineux. Souvent, la luminosité et la complexité d’une nébuleuse planétaire cachent à la vue son étoile centrale.
Mais l’autre raison est que, paradoxalement, la chaleur extrême de l’étoile la rend elle-même presque invisible. Comme nous l’avons vu plus haut, la loi de Planck sur le rayonnement du corps noir stipule que la température d’un objet détermine sa couleur. Sirius, avec sa surface à une température de 18 000 degrés F, est si chaude qu’elle brille en bleu.
Que se passe-t-il si une étoile est encore plus chaude que Sirius bleue ? Dans ce cas, la loi de Planck s’applique toujours, mais la lueur qui en résulte sera d’une couleur au-delà de la gamme à laquelle nos yeux ou les télescopes ordinaires sont sensibles. En particulier, les objets beaucoup plus chauds que Sirius brilleront dans la lumière ultraviolette ou les rayons X. Les différentes températures, et leur lien avec la couleur par le biais de la loi du rayonnement du corps noir, révèlent que des phénomènes apparemment distincts comme la lumière ultraviolette et les rayons X ne sont en fait que des parties du vaste spectre électromagnétique. Le spectre électromagnétique décrit toute une gamme de couleurs différentes, bien au-delà de l’éclat de lumière que nous pouvons voir avec nos yeux.
Ainsi, les naines blanches sont enfouies profondément dans leurs nébuleuses planétaires, et sont si chaudes qu’elles n’émettent pas beaucoup de lumière visible, mais rayonnent principalement dans les parties ultraviolette et X du spectre. Il n’est donc pas surprenant que l’étoile surchauffée au centre de la nébuleuse de l’Araignée rouge soit restée invisible pendant de nombreuses décennies. Cette situation a finalement pris fin en 2005, lorsque Mikako Matsuura et ses collègues ont utilisé le puissant télescope spatial Hubble, situé en orbite au-dessus de l’atmosphère terrestre, pour identifier une minuscule tache de lumière correspondant à la naine blanche au cœur de l’araignée rouge. Dans cette étude et les suivantes, les astronomes ont pu mesurer avec précision la couleur de l’étoile, puis ont utilisé la loi de Planck sur le rayonnement du corps noir pour calculer sa température.
Les résultats sont étonnants – la température de surface de l’étoile au centre de la nébuleuse de l’Araignée rouge est d’un incroyable 540 000 degrés F, plus de 50 fois plus chaude que le Soleil, et 30 fois plus chaude que la puissante Sirius.
Cette étoile étonnante, avec sa température extrême et la spectaculaire nébuleuse rougeoyante qui l’entoure, présente plus qu’un simple intérêt académique. Car en regardant l’araignée rouge, nous voyons notre futur destin. Dans environ 5 milliards d’années, le Soleil sera lui aussi à court de carburant et se débarrassera également de ses couches externes. Tout ce qui restera de notre étoile et de son système solaire sera une magnifique nébuleuse planétaire, illuminée par une naine blanche intensément chaude en son centre.
Reproduction de Extreme Cosmos par Bryan Gaensler par arrangement avec Perigee, un membre de Penguin Group (USA) Inc, Copyright (c) 2011 par Bryan Gaensler.