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Les naines blanches, ces étoiles éteintes qui constituent l’étape finale de l’évolution stellaire, intriguent les scientifiques depuis longtemps. Bien qu’elles soient parmi les objets célestes les plus communs de l’Univers, elles recèlent des secrets fascinants sur l’histoire de leur étoile mère et les mystères de l’espace. Grâce à une nouvelle génération de télescopes et d’observatoires, les astronomes ont pu en apprendre davantage sur ces étoiles fascinantes, qui nous renseignent sur le passé et l’avenir de l’Univers.
La fascinante structure des naines blanches
Une naine blanche est le noyau dense et chaud qui subsiste après qu’une étoile a consommé tout son carburant et perdu ses couches externes. La plupart des étoiles de l’Univers finissent par devenir des naines blanches. Seules les étoiles qui ont assez de masse pour devenir des étoiles à neutrons ou des trous noirs échappent à ce destin.
Les naines blanches sont soutenues par un processus quantique appelé dégénérescence, qui empêche la matière de se comprimer davantage sous l’effet de la gravité. Habituellement, les naines blanches sont composées de carbone et d’oxygène, mais si la masse de l’étoile est plus élevée, autour de 8-10 masses solaires, la température sera suffisamment élevée pour fusionner également le carbone, auquel cas le résultat sera une naine blanche oxygène-néon-magnésium.
Les naines blanches sont chaudes au départ, mais comme elles n’ont pas de source de chaleur, elles commencent à se refroidir. Lorsqu’elles se refroidissent, elles commencent aussi à changer de couleur. Elles se distinguent par leur densité extraordinaire, comprimant la masse du Soleil dans un espace comparable à celui de la Terre.
La découverte révolutionnaire grâce à Gaia
Les astronomes ont du mal à repérer les naines blanches, car elles sont petites et faibles. La première naine blanche a été découverte en 1783 par William Herschel (bien qu’elle n’ait été décrite formellement qu’en 1914). La naine blanche la plus proche de la Terre, Sirius B, a été découverte au 19e siècle.
Jusqu’à récemment, les naines blanches demeuraient mystérieuses en raison de leur difficulté à être repérées. Cependant, l’arrivée de l’observatoire spatial Gaia, lancé par l’Agence spatiale européenne (ESA) en 2013, a ouvert de nouvelles perspectives. Gaia a produit un catalogue riche et inédit d’étoiles dans l’Univers. “Avec Gaia, nous avons soudainement eu des dizaines de milliers de points de données”, dit Boris Gänsicke, professeur au département de physique de l’université de Warwick, dont les recherches portent sur les naines blanches.
Avec les données de Gaia, les astronomes ont pu tracer le diagramme de Hertzsprung-Russell des naines blanches, qui montre leur température et leur luminosité. Ce diagramme révèle que les naines blanches se divisent en trois branches principales, qui correspondent à trois stades différents de leur évolution, dont l’une est liée à leur cristallisation.
Le refroidissement des naines blanches
L’une des découvertes les plus surprenantes faites avec les données de Gaia est que certaines naines blanches se cristallisent lorsqu’elles se refroidissent. Cela signifie que le carbone et l’oxygène du noyau forment un solide, comme lorsque l’eau se transforme en glace. Les noyaux des naines blanches finissent par devenir solides.
Ce phénomène libère un peu de chaleur supplémentaire, qui ralentit le refroidissement des naines blanches. Cela conduit à la séparation d’une des trois branches du diagramme de Hertzsprung-Russell. “Nous avons commencé à comprendre ce qui provoque cette division, et nous avons réalisé qu’une de ces branches a à voir avec la cristallisation des naines blanches. C’était donc une chose vraiment passionnante qui est sortie pratiquement le jour du lancement des données Gaia”, dit Gänsicke.
On peut presque (mais pas tout à fait) considérer les naines blanches comme des diamants dans le ciel : la moitié de leur masse est constituée de carbone, qui se cristallise, et les diamants sont du carbone cristallisé. La surface d’une naine blanche est encore gazeuse, mais le noyau commence à cristalliser, et cette cristallisation s’étend progressivement.
Les naines blanches, des capsules temporelles célestes
En étudiant les naines blanches, les astronomes peuvent remonter le temps et comprendre comment les étoiles se sont formées et ont évolué. Ils peuvent aussi prédire comment le Soleil finira sa vie, car il deviendra lui aussi une naine blanche dans environ 5 milliards d’années.
En tant qu’objets célestes éteints, les naines blanches agissent comme des archives cosmiques, nous donnant un aperçu du passé stellaire et de l’histoire des étoiles. Les naines blanches se révèlent ainsi être de véritables laboratoires cosmiques, nous permettant de mieux comprendre l’évolution des étoiles, des galaxies et même le destin futur de notre propre Soleil.
Les naines blanches sont intéressantes en elles-mêmes, car elles présentent des propriétés physiques extrêmes qui défient notre intuition. Elles sont le siège de phénomènes quantiques, magnétiques, thermiques et chimiques qui ne se produisent pas ailleurs dans la nature.