Les nébuleuses

II- Les nébuleuses

D'une manière générale, on appelle nébuleuse une concentration de gaz et de poussières visible dans l'espace, en dehors du système solaire (lien vers document original).

1) Les nébuleuses où naissent les étoiles

Une bonne partie des nébuleuses est le lieu de naissance des étoiles, les gaz et la poussière s'effondrant par la gravitation, pour former des étoiles. Éventuellement, cet effondrement est déclenché par l'explosion d'une supernova dans le voisinage, qui crée une onde de choc. On voit une telle nébuleuse sur la première page de l'animation planétarium, en déplaçant le curseur, on voit apparaître la nébuleuse de l'Aigle, dont la photographie a été prise par le télescope spatial Hubble. Les flèches vertes indiquent où naissent les étoiles. En cliquant ensuite sur Voir le ciel, on voit dans quel endroit du ciel est cette nébuleuse. Plusieurs milliers d'étoiles naissent ensemble, formant un amas ouvert. Dans un deuxième temps, les gaz et la poussière disparaissent, et il reste seulement les étoiles regroupées, puis ces dernières finissent par se disperser. Dans l'amas ouvert des Pléiades, visible sur l'animation, on voit encore des traces de la nébuleuse avec un télescope. Ces nébuleuses se divisent en trois carégories :

a- Les nébuleuses à émission, ou régions HII. Les jeunes étoiles suffisamment proches et grosses, donc chaudes, émettent de l'ultraviolet qui, comme pour un tube au néon excite les atomes d'hydrogène qui s'ionisent. Un électron, en retombant du niveau 3 au niveau 2 de l'atome d'hydrogène émet une lumière caractéristique rouge à 656.8 nm appelée raie Hα. Ces régions sont donc des sources primaires de lumière.

b- Les nébuleuses par réflexion. Ce sont des nébuleuse au travers desquelles se diffuse ou se réfléchit la lumière d’une ou plusieurs étoiles brillantes proches, mais pas assez chaudes pour ioniser l'hydrogène, donnant à l’ensemble une couleur bleue. C'est le même phénomène qui fait que le ciel est bleu, car la lumière bleue est plus diffusée que les autres couleurs. Ces régions sont donc des sources secondaires de lumière. Les nébulosités qui enveloppent les principales étoiles de l'amas des Pléiades, principalement Mérope sont de ce type. La nébuleuse M20 dite Trifide, ci-dessus à droite, présente à la fois des région de réflexion bleues et des régions d'émissions rouges.

c- Les nébuleuses obscures. Ces nébuleuses ne sont situées à proximité d'aucune étoile susceptible de les éclairer. Riches en poussières, elles constituent des masses sombres qui masquent les étoiles situées à l'arrière-plan ou qui, parfois, se profilent en ombre chinoise sur une nébuleuse brillante. Elles ont été découvertes au XVIIIe siècle par l'astronome britannique d'origine allemande William Herschel. Après lui, son fils John poursuivit leur étude, surtout dans l'hémisphère Sud. Un exemple célèbre est celui de la nébuleuse Tête de Cheval, ci-contre à droite, près de l'étoile ζ d'Orion. Elle a été découverte en 1889 par l'Américain William Pickering, sur l'une des premières photographies qu'il prit de la région d'Orion. En se profilant devant une nébuleuse brillante plus lointaine, elle dessine la silhouette d'une tête de cheval de jeu d'échec. Notons que dans la nébuleuse trifide, on distingue des lignes sombres qui sont des nébuleuses obscures très denses où naissent des étoiles.

2) Les nébuleuses planétaires

Ce qui caractérise une étoile, c'est qu'elle tire son énergie de la transformation de l'hydrogène en hélium. Ainsi, le cœur du Soleil se maintient à 15 millions de degrés. Mais, quand l'étoile a épuisé cet hydrogène, elle meurt.

Plus une étoile a une masse faible, plus elle vit longtemps. Les étoiles de masses inférieures à 0,7 masse solaire ont une durée de vie supérieure à l’âge de l’univers (13,7 milliard d’années), donc continuent à vivre tranquillement.

Lorsque l'étoile brûle régulièrement en transformant l'hydrogène en hélium, on peut considérer que son énergie est à peu près constante. À cause du théorème d'équipartition de l'énergie, lorsque des atomes d'hydrogène heurtent des atomes d'hélium, tous les atomes prennent à peu près la même énergie cinétique. Les atomes d'hélium plus lourd vont donc moins vite et tombent vers le cœur de l'étoile. Le théorème du Viriel dit que l'énergie cinétique est opposée à l'énergie totale. Pour ces atomes d'hélium qui tombent, l'énergie totale devient de plus en plus négative, donc l'énergie cinétique augmente. Ils vont donc de plus en plus vite, ils sont donc plus chaud. Les atomes d'hydrogènes qui vont plus vite s'éloignent donc du centre, donc l'étoile grossit. Mais en s'éloignant, ils gagnent de l'énergie, donc l'énergie cinétique diminue et ils deviennent froids.

À cause du théorème du viriel, les étoiles sont des objets à capacité thermique négative. Quand on leur donne de l'énergie, elles se refroidissent. L'étoile peut ainsi spontanément être sujet à la catastrophe gravothermale. Le cœur perd de l'énergie et s'effondre en se réchauffant et la périphérie reçoit de l'énergie et se refroidit en se dilatant.

L'étoile finit par avoir un cœur extrêmement chaud inerte d'hélium, et au dessus une enveloppe énorme d'hydrogène froid donc qui rayonne en rouge. Juste au-dessus de l'hélium très chaud, l'hydrogène brûle dans une coquille. Cette coquille d'énergie potentielle très basse à cause du cœur d'hélium a donc une énergie cinétique élevée. Elle est très chaude ce qui accélère les réactions nucélaires. La luminosité de l'étoile augmente énormément. L'étoile qui est énorme avec une surface froide donc rouge est devenue une géante rouge. Pour les étoiles de masses supérieures à 0,5 masses solaires, l'hélium finit par s'allumer et fusionne en carbone et oxygène. Dans un premier temps, l'étoile reprend alors un processus plus normal et diminue de taille. Le dégagement d'énergie dans le cœur le refroidit : il se dilate, et la périphérie du coup se contracte. Mais ensuite, le même processus se répète : au bout d'un certain temps, on a un cœur de carbone et d'oxygène inerte et extrêmement chaud, au-dessus une coquille d'hélium brûle, et encore plus au-dessus, une coquille d'hydrogène brûle. L'hydrogène produit l'hélium en dessous qui brûle à son tour. L'étoile est devenue une supergéante rouge d'un rayon égal à 300 fois celui du Soleil. La matière en périphérie de l'étoile est loin du centre donc moins attirée gravitationnellement. Étant froide cette matière peut condenser en molécules ou en petits grains qui peuvent être beaucoup plus sensibles à la pression de radiation que des atomes seuls. La matière est ainsi expulsée ce qui constitue un supervent stellaire qui produit une nébuleuse planétaire.

À la fin de cette éjection, le cœur est libéré du poids des masses éjectées. Il se dilate donc un peu, ce qui entraîne, par le théorème du Viriel, la contraction de son enveloppe qui se sépare ainsi des matières éjectées. La nébuleuse se déconnecte ainsi de l’étoile qui devient une naine blanche. Ces poussières et gaz de la nébuleuse, éclairés par ce qui reste de l'étoile, très chaude et brillante, forment ce qu'on appelle une nébuleuse planétaire, à cause de la forme assez ronde, qui les a fait prendre, historiquement, à tort, pour des planètes. La naine blanche a une taille de l'ordre de celle de la Terre. Chaque centimètre cube pèse plusieurs tonnes. Nous montrons ci-dessus à droite la nébuleuse de la Lyre, visible avec un petit télescope. L'animation à droite de cette photographie, montre la formation de la nébuleuse planétaire Hélice ou NGC 7293, la plus proche de nous à 400 années-lumière. Dans un premier temps, l'éjection de matière fabrique la nébuleuse, dans un deuxième temps, la pression de radiation de la lumière ultraviolette émise par la naine blanche extrêmement chaude l'érode et la chasse..

L'évolution vers la nébuleuse planétaire commence donc par le stade de supergéante rouge. Quand l’étoile qui reste, très chaude, est mise à nu par le processus de déconnection, elle éclaire de lumière ultraviolette la nébuleuse nouvellement formée qui devient luminescente.

3) La masse de Chandrasekhar

Dans la naine blanche la matière est dite dégénérée : l’agitation des particules qui permet de lutter contre l’effondrement gravitationnel n’est pas d’origine thermique, mais d’origine quantique. La relation d’incertitude de Heisenberg : Δ x Δ P = Δ x (m Δ v) ≥ ℏ/2 implique, quand des fermions sont cantonnés dans un petit volume, qu’ils ont une vitesse minimale. Cette relation vient de la relation de de Broglie : λ = h/m v, qui dit qu'à toute particule de masse m et de vitesse v est associée une onde de longueur d'onde λ. L'onde a forcément une valeur nulle au niveau des parois du bocal. La plus grande longueur d'onde possible est quand on a juste une onde stationnaire d'une demi longueur d'onde. Si la dimension du bocal diminue, cette longueur d'onde diminue ce qui force v donc P = m v à augmenter. Dans la naine blanche, les électrons sont tous délocalisés, et animés d’une très grande vitesse du fait qu’ils sont compressés dans un petit volume, relativement à leur nombre. Cette vitesse est à l’origine de la pression dite pression de dégénérescence qui soutient l’étoile.

Les noyaux d'atomes ne participent pas à cette pression de dégénérescence, car étant plusieurs milliers de fois plus lourds que l'électron, il sont animés d'une vitesse des milliers de fois plus petite (équipartition de l'énergie), donc on peut les considérer comme immobiles. Quand on prend une étoile de masse plus grande, la pression nécessaire pour la soutenir augmente, donc les électrons doivent aller plus vites. Mais en gros, quand les électrons atteignent une vitesse proche de celle de la lumière, ils ne peuvent pas aller plus vite, et ils n'arrivent pas suffisamment à augmenter la pression. Pour une masse de 1,46 masses solaires, appelée la masse de Chandrasekhar, l'étoile s'effondre alors brusquement, toute la matière étant brutalement en chute libre vers le centre.

4) Les nébuleuses résidus de supernovae de type II

Lorsque l'étoile a au départ une masse supérieure à 10 masses solaires, elle finit sa vie en explosant, formant ce qu'on appelle une supernova de type II. Dans ces étoiles, la nucléosynthèse va au delà de la fusion des atomes d'hélium. La fusion atteint le stade du fer ; aucune nouvelle réaction nucléaire ne peut alors dégager de l'énergie. Le cœur se contracte et devient une naine blanche à l'intérieur de la supergéante rouge. Mais cette naine blanche dépasse brutalement la masse de Chandrasekhar et s'effondre. Le volume diminuant, à cause du principe d'incertitude, l'énergie cinétique des électrons devient gigantesque. Il devient favorable énergétiquement d'avoir la réaction proton + électron → neutron + neutrino, bien que le neutron ait une masse supérieure au proton et donc que cette réaction soit endothermique (absorbe de l'énergie). Il se passe alors deux choses : 1- Le volume ayant diminué de façon à ce que l'ancienne naine blanche au centre ait atteint une taille de 10 km environ, les neutrons eux mêmes finissent par atteindre une vitesse de dégénérescence capable de faire cesser l'effondrement. 2- Il s'est créé un gaz de neutrinos animés d'une vitesse voisine de la vitesse de la lumière confiné à l'intérieur de l'étoile. Car, bien que les neutrinos intéragissent très peu avec la matière, on a ici affaire à des densités telles que mêmes eux sont bloqués. Ce gaz de neutrinos se comporte comme la vapeur d'eau produite à l'intérieure d'une boîte de conserve mise pour la faire bouillir sur une plaque électrique en ayant oublié de l'ouvrir ! Il fait tout exploser ! Toutes les couches au-dessus de l'étoile sont soufflées vers l'extérieur par une gigantesque onde de choc. En effet, ce qui différencie les molécules d'eau de la vapeur des molécules d'eau du liquide, c'est que les molécules d'eau de la vapeur sont loins les unes des autres et sans attractions électrostatiques, contrairement aux molécules de l'eau liquide qui sont confinées par une pression virtuelle très forte correspondant à leurs très fortes attractions électrostatiques entre-elles liées à leur proximité. Le gaz de neutrino se comporte de même, car les neutrinos étant neutres échappent définitivement à tout confinement de type électrostatique comme celui que subissaient les électrons négatifs en attractions avec les protons positifs.

Il reste une nébuleuse, et au centre, pour une masse initiale inférieure à 60 masses solaires, un pulsar, ou étoile à neutron. Ce pulsar est en rotation très rapide (l'effondrement accélère la rotation), et envoie comme un phare un faisceau d'ondes hertziennes à cause du champ magnétique gigantesque résultant de la compression du flux magnétique. La modulation de ces ondes par la rotation donne une onde de fréquence sonore entendue dans la page d'entrée. L'étoile à neutron est constituée de neutrons seuls. Elle a une taille de 10 km environ, et une densité de un milliard de tonnes par cm³. L'animation ci-contre à droite montre la formation de la nébuleuse du crabe M1. L'explosion a eu lieu le 4 juillet 1054 (repérée par les astronomes chinois). La supernova fut visible en plein jour pendant 23 jours. Cette nébuleuse est à 6000 années-lumière. La plupart des atomes autres que ceux d'hydrogène et d'hélium, et dont la masse est inférieure ou égale a celle de l'atome de fer, sont formés dans le cœur des étoiles. Il en est ainsi du carbone de l'oxygène, etc. Ces atomes sont ensuite envoyés dans l'espace par l’explosion, où ils pourront être utilisés pour la vie. Les atomes plus lourds que le fer, sont formés uniquement au moment de l'explosion, en particulier, l'uranium et le thorium responsables de la radioactivité de l'intérieur de la Terre, donc pour une grande part de la chaleur à l'intérieur de la Terre, donc de la tectonique des plaques, donc du recyclage du CO₂ et donc de son maintien à une concentration adéquate, pour assurer la stabilité du climat, donc la vie !

Enfin, si au départ l'étoile dépasse 60 masses solaires, ce qui implique que ce qui reste de l'étoile après l'explosion dépasse 3 masses solaires, le résidu de l'explosion est un trou noir. Cette masse limite de 3 masses solaires, est la masse maximale d'une étoile à neutron, au-delà de laquelle elle s'effondre en trou noir. Le processus d'effondrement n'a rien à voir avec l'effondrement des naines blanches qui dépassent la masse de Chandrasekhar. Cela ne dépend pas de la structure de la matière, c'est un effet direct de la relativité générale d'Einstein : à cause de la relativité générale, ce n'est pas juste la masse-énergie qui attire, mais toutes les composantes du tenseur d'impulsion-énergie. Si la matière est homogène et isotrope, ce sont les seules composantes non nulles, les 4 composantes diagonales, une de masse-énergie, et trois de pression dans trois directions perpendiculaires. Donc la pression attire, avec un coefficient 3, ce qui fait que le champ de gravité est beaucoup plus intense qu'en gravité newtonienne. Or, quand on s'enfonce dans ce champ de gravité, le temps s'écoule de plus en plus lentement. Si la masse est telle que le temps ne s'écoule plus au centre, la pression y devient infinie, en effet : n'importe quel flux de particules venant de l'infini, des neutrinos par exemple donneront alors un flux infini au centre, le temps ne s'y écoulant plus vu de l'extérieur. Ce débit infini donne une pression infinie. Plus rien ne peut plus jamais soutenir l'astre, il est dans un collapse sans fin. Quand les dernières particules de la surface de l'étoile pénètrent dans la surface de Schwarzschild, l'étoile disparaît de la vue en formant un trou noir. La masse limite est donnée par M² < 16 C⁶/(243 π ρ G³), plus contraignante que la condition M² < 3 C⁶/(32 π ρ G³) qui exprime que la surface de l'étoile est à l'intérieur de la surface de Schwarzschild. Cela est évident : le temps cesse de s'écouler au centre de l'étoile avant de cesser de s'écouler sur sa surface. Donc l'effondrement inévitable survient bien avant que l'étoile soit un trou noir. Il n'existe donc aucun trou noir en équilibre hydrostatique. Ils sont tous dans un collapse sans fin.

La gigantesque explosion en supernova encore beaucoup plus intense dans ce cas dure beaucoup plus longtemps ; elle donne ainsi naissance à un trou noir, car la gravité est tellement intense que même la lumière ne peut pas s'échapper ; ou, autrement dit, parce que l’arrêt de l’écoulement du temps sur la surface de Schwarzschild empêche toute oscillation, donc la lumière, d’être perçue de l’extérieur.

5) Les supernovae de type Ia

Plus de 30% des étoiles sont des systèmes multiples, dont beaucoup sont constitués de deux étoiles tournant l'une autour de l'autre. On arrive donc souvent après la mort de ces étoiles à deux naines blanches ayant un cœur de carbone et oxygène dégénéré qui tournent l'une autour de l'autre. Mais ce système émet des ondes gravitationnelles et perd de l'énergie. Les deux astres se rapprochent donc l'un de l'autre pour finir par fusionner. Mais la masse du nouvel astre obtenu dépasse la masse de Chandrasekhar. Donc l'astre s'effondre en étoile à neutron.

Mais il y a une différence de taille avec le cas du paragraphe précédent : cette nouvelle naine blanche est constituée de carbone et d'oxygène ! Ces atomes sont d'excellents combustibles nucléaires et peuvent fusionner en dégageant de l'énergie, contrairement aux supernovae de type II constituées de fer incapable de participer à une réaction nucléaire dégageant de l'énergie, la naine blanche devient une gigantesque bombe atomique. L'explosion est la plus violente et lumineuse de toutes les supernovae. Et, tout est éjecté, il ne reste rien ! Autre chose maintenant, toutes les supernovae de type Ia ont à peu près la même luminosité absolue, et la luminosité apparente (la supernova est-elle vue depuis la Terre très brillante ou non ?) donne la distance. C'est le meilleur étalon de mesure des distances très lointaines. Elles ont permis de prouver que l'univers est en expansion accélérée. En effet, quand la lumière a quitté la supernova pour cheminer vers nous, le décalage vers le rouge lié à sa vitesse d'éloignement est plus faible que ce que l'on pourrait attendre compte tenu de la valeur actuelle de la constante de Hubble H₀. L'univers à cette époque était dans une expansion moins forte que prévue donc il a accéléré. Cette accélération de l'expansion provoquée par ce qu'on appelle l'énergie sombre, serait due à une pression négative de l'espace-temps totalement indétectable en dehors de ce phénomène, et ayant donc un effet gravitationnel répulsif correspondant à la constante cosmologique dans l'équation du champ de la relativité générale d'Einstein. Ce qu'Einstein a appelé la plus grande erreur de sa vie : faire intervenir la constante cosmologique, était en fait sa plus belle prédiction, vérifiée environ 100 ans plus tard !

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