Les étoiles

Astronomie
Lambert D.
SCIENCE

Chapitre 1
Les étoiles-1

2
Les étoiles
Qu'est-ce qu'une étoile?
Une étoile est une boule de gaz, en équilibre, et qui émet de la
lumière grâce aux réactions nucléaires qui ont lieu en son sein.
L'étoile la plus proche de la Terre et la mieux connue est bien sûr
le Soleil. Il existe des étoiles de masses et d'âges différents et qui
ont des luminosités très différentes. Les étoiles forment
l'essentiel de la masse visible de l'Univers. Elles sont regroupées
en galaxies. Notre Galaxie, la Voie Lactée compte quelques 100
milliards d'étoiles. L'Univers est composé de quelques centaines
de milliards de galaxies.
Constellations et noms d'étoiles
Parmi les étoiles de notre Galaxie, la Voie Lactée, seules 6000 à
7500 sont visibles à l'oeil nu (sur l'ensemble de la sphère
céleste). Pour se repérer dans le ciel, les astronomes des siècles
passés ont dessiné arbitrairement sur la sphère céleste des
figures reliant les étoiles les plus brillantes qu'ils ont nommées
constellations. Les noms des constellations boréales (situées
dans l'hémisphère nord) nous viennent principalement de
l'antiquité, et sont des personnages (Andromède, Cassiopée...),
des animaux (le Cygne, la Grande Ourse...), ou des objets (la
Lyre, la Balance...) issus de la mythologie (principalement
grecque et romaine). Mais les astronomes de l'antiquité n'ont pas
observé la partie la plus australe du ciel (visible dans
l'hémisphère sud) et ne l'ont donc pas organisée en
constellations. Ce travail fut effectué par des astronomes comme
Bayer au 17ème siècle qui choisit des noms d'animaux (le
Phénix, le Poisson Volant...) et La Caille au 18ème siècle qui
préféra des noms d'instruments scientifiques (le microscope, la
machine pneumatique...). Cependant, les limites des
constellations restaient floues, et certaines nouvelles
constellations mordaient sur les anciennes. La situation fut
réglée en 1922 par l'Union Astronomique Internationale qui
découpa le ciel en 88 constellations. L'astronome belge Eugène
Delporte en fixa précisément les limites selon des arcs de
méridien ou de fuseaux horaires.
Durant l'antiquité, les astronomes nommaient les étoiles d'après
leurs positions dans la constellation auxquelles elles
appartenaient. Au moyen-âge, les astronomes arabes fixèrent le
nom des étoiles les plus brillantes sur le même principe (Rigel

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dans la constellation d'Orion, qui était pour l'astronome grec
Ptolémée "l'étoile la plus brillante du pied gauche en contact
avec l'eau", signifie simplement "le pied" en arabe) et ces noms
sont restés d'usage courant.
Au début du 17ème siècle, l'astronome allemand Bayer classa
les étoiles des constellations par luminosité décroissante en
suivant l'alphabet grec puis l'alphabet latin suivi du génitif du
nom latin de la constellation. Ainsi, Arcturus, l'étoile la plus
brillante du Bouvier (Bootes en latin) se nomme-t-elle aussi α
Bootis (ou α Boo). De même, Castor et Pollux, les deux étoiles
les plus brillantes des Gémeaux (Gemini) sont respectivement α
et β Geminorum (α et β Gem). Sur le même principe,
l'astronome anglais Flamsteed poursuivit la nomenclature des
étoiles de chaque constellation par des numéros. La manière de
nommer une étoile par une lettre grecque ou latine ou d'un
numéro suivi du génitif du nom latin de la constellation à
laquelle elle appartient s'appelle ainsi dénomination de Bayer-
Flamsteed.
De nos jours, où le catalogue des étoiles n'est plus une fin en soi,
et où le nombre d'étoiles connues est considérable, les étoiles
sont nommées d'après leur numéros dans des catalogues
spécifiques (catalogues d'étoiles brillantes, de binaires, de
variables, d'étoiles observées avec tel ou tel instrument...). Une
étoile appartenant à plusieurs catalogues a donc plusieurs noms.
Pourquoi les étoiles brillent-elles?
Les étoiles brillent car leur surface, ou photosphère, est
composée de gaz ionisé très chaud - entre 3000 et 50000 K - qui
émet de la lumière. Mais pourquoi la surface est-elle si chaude et
pourquoi émet-elle?
La température, la pression et la densité au coeur des étoiles
atteignent des valeurs gigantesques. À titre d'exemple, la
température au centre du Soleil est d'environ 15 millions de
degrés Kelvin, la pression est de plusieurs centaines de milliards
d'atmosphères et la densité est de plusieurs centaines. Dans ces
conditions, les atomes d'hydrogène (protons) ont une vitesse
suffisante pour vaincre la force de répulsion électrostatique et
peuvent entrer en collision et fusionner, en perdant de la masse
et en libérant de l'énergie sous forme de neutrinos et de photons
à haute énergie. Les neutrinos interagissent très peu avec la
matière et sont tout de suite éjectés de l'étoile. Les photons, au
contraire, mettent plusieurs siècles à quitter l'étoile en ce sens
qu'un photon issu d'une réaction de la fusion de deux atomes est
presque immédiatement réabsorbé par un autre atome qui réémet

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à son tour un autre photon... jusqu'à atteindre la surface de
l'étoile où il part vers le milieu interstellaire. La surface de
l'étoile est donc chauffée par les réactions nucléaires qui ont lieu
au coeur de l'étoile.
Le gaz à la surface de l'étoile peut être considéré, en première
approximation, comme un corps noir. Un corps noir est un corps
idéal qui réémet tout le rayonnement qu'il reçoit sous forme d'un
spectre continu (qui suit la loi de Planck) avec un maximum à
une longueur d'onde λmax qui ne dépend que de sa température
T (selon la relation de
Wien : λmax .Τ = cte = 3 107 Å.K). La longueur d'onde λmax
détermine la couleur de l'étoile. La température de la surface
d'une étoile variant de quelques milliers à quelques dizaines de
milliers de Kelvins, λmax varie environ entre 600 et 10000
correspondant à un maximum situé entre le proche ultraviolet et
le proche infrarouge en passant par toutes les couleurs de l'arc-
en-ciel. Les étoiles les plus chaudes apparaissent ainsi très
bleues et les plus froides sont rouge sombre. Le flux F d'énergie
émis par un corps noir à sa surface ne dépend lui aussi que de la!
température selon la relation de Stefan-Boltzmann F=σT avec σ
= 5,67.10 W/m2/K. La luminosité totale L
émise par un corps noir est le produit de sa surface par le flux F.
La luminosité d'une étoile représentée par un corps noirs
sphérique de rayon R est donc L=4πR2σT4 . À rayon égal, une
étoile chaude, donc bleue d'après la relation de Wien, émettra
donc plus d'énergie qu'une étoile froide et plus rouge. De même,
une étoile de grand rayon, comme géante rouge par exemple,
émettra plus d'énergie qu'une naine rouge de même température
mais de rayon inférieur.
Structure d'une étoile
Les étoiles se forment par effondrement gravitationnel de nuages
de gaz interstellaire composés principalement d'hydrogène (~70
% de la masse) et d'hélium (25-30 %) avec une faible teneur en
éléments plus lourds (<2 %), appelés (improprement) métaux en
astrophysique. Contrairement à l'hydrogène et à la majeure
partie de l'hélium qui se sont formés juste après le Big-Bang, les
éléments lourds sont le résidu des réactions de fusion de
générations précédentes d'étoiles. Une étoile passe sa vie à
s'opposer à l'effondrement gravitationnel. Au fur et à mesure
qu'une étoile se contracte, sa densité augmente. Ceci entraîne
une augmentation de la pression jusqu'à ce que celle-ci équilibre
la contraction gravitationnelle.