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Étoiles géantes rouges: faits, définition et avenir du soleil

Une géante rouge est une étoile mourante dans les dernières étapes de l’évolution stellaire. Dans environ cinq milliards d’années, notre propre soleil se transformera en géante rouge, se développera et engloutira les planètes intérieures – peut-être même la Terre.

Former un géant La plupart des étoiles de l’univers sont des étoiles de la séquence principale – celles qui convertissent l’hydrogène en hélium dans leurs noyaux par fusion nucléaire.

Au cours de leur vie « normale », la pression extérieure de la fusion à l’intérieur des étoiles de la séquence principale équilibre la pression intérieure de la gravité. Une fois que la fusion du noyau s’arrête, cependant, la gravité prend le dessus et commence à comprimer l’étoile.

« Cela augmente la température interne de l’étoile et enflamme une coquille d’hydrogène brûlant autour du noyau inerte », a écrit l’Université de technologie de Swinburne en Australie dans un explicatif de l’évolution stellaire.

« Pendant ce temps, le noyau d’hélium continue de se contracter et d’augmenter en température, ce qui entraîne une augmentation du taux de production d’énergie dans la coquille d’hydrogène », poursuit l’explicatif. « Cela provoque une expansion énorme de l’étoile et une augmentation de la luminosité - l’étoile devient une géante rouge. »

Les étoiles géantes rouges gonflent à 62 millions à 620 millions de miles de diamètre (100 millions à 1 milliard de kilomètres) - 100 à 1 000 fois plus large que notre soleil est aujourd’hui. Parce que l’énergie de ces étoiles est répartie sur une si grande surface, leurs températures de surface sont en fait relativement fraîches, atteignant seulement 4 000 à 5 800 degrés Fahrenheit (2 200 à 3 200 degrés Celsius), un peu plus de la moitié moins chaud que le soleil. Ce changement de température fait briller les étoiles dans la partie la plus rouge du spectre, ce qui conduit au nom de « géante rouge », bien qu’elles soient souvent plus orangées en apparence.

Les températures centrales des géantes rouges, cependant, continuent d’augmenter à mesure que le noyau se contracte davantage, atteignant finalement des niveaux où l’hélium fusionne pour former du carbone. (C’est ce qu’on appelle le « processus triple alpha » parce qu’il implique trois isotopes de l’hélium-4, ou particules alpha.) Si l’étoile est au moins 2,2 fois plus massive que notre soleil, l’inflammation de l’hélium au carbone est un processus relativement progressif. Mais pour les étoiles moins lourdes, cela se produit avec un flash explosif.

Finalement, l’hélium dans le noyau s’épuise et la fusion s’arrête. Le noyau rétrécit à nouveau et une coquille d’hélium juste au-delà s’enflamme, comme cela s’est produit avec l’hydrogène peu de temps après que l’étoile ait brûlé ses réserves de ce carburant initial.

Cet allumage provoque l’expansion des couches externes du géant, mais son noyau continue de s’effondrer sur lui-même. L’étoile finit par devenir incroyablement compacte, se transformant en un objet superdense connu sous le nom de naine blanche. Au moment de cette transition, l’étoile éjecte ses couches externes dans d’énormes nuages de gaz et de poussière connus sous le nom de nébuleuses planétaires. (Le nom trompeur a été donné par les premiers astronomes, qui pensaient que ces vues du ciel ressemblaient à des planètes.) Ces coquilles sont beaucoup plus grandes et plus faibles que leurs étoiles mères.

Après avoir passé environ 1 milliard d’années en tant que géante rouge, notre propre soleil deviendra une naine blanche, emballant la majeure partie de sa masse initiale dans une sphère à peu près de la taille de la Terre. Ce destin attend également de nombreuses autres étoiles – toutes moins de huit fois plus massives que le soleil, en fait.

Le scénario de fin de vie des étoiles géantes est différent. Les étoiles environ huit à 40 fois plus massives que le soleil, par exemple, passent par une phase de « supergéante rouge ». Leurs noyaux deviennent assez chauds pour brûler du carbone, ce que notre soleil ne fera jamais, et ils finissent par mourir dans de puissantes explosions de supernova. Quand tout est dit et fait, ces étoiles massives laissent derrière elles soit une étoile à neutrons, soit un trou noir.

Et tout cela se produit assez rapidement, cosmiquement parlant, parce que les énormes étoiles brûlent leur carburant très rapidement. Par exemple, alors que notre soleil finira par fusionner l’hydrogène dans son noyau pendant environ 10 milliards d’années, les étoiles qui deviennent des supergéantes rouges épuisent leurs réserves en seulement 10 millions d’années environ. Et ils marchent à travers les autres étapes de la fin de la vie encore plus vite que cela.

Certaines des étoiles les plus brillantes et les plus connues du ciel nocturne sont des supergéantes rouges. Bételgeuse, qui forme l’épaule de la constellation d’Orion (Le Chasseur), est une supergéante rouge. Il en va de même pour Antarès, l’étoile la plus brillante de la constellation du Scorpion.

Étudier les géantes rouges

Ces dernières années, les astronomes ont eu un bon aperçu de quelques géantes rouges relativement proches, en apprenant davantage sur le fonctionnement de ces mastodontes.

En 2017, par exemple, une équipe internationale d’astronomes a examiné la surface de la géante rouge π1 Gruis à l’aide du Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral. Ils ont découvert que l’étoile, qui se trouve à environ 530 années-lumière de la Terre, n’a que quelques cellules convectives, ou granules, dont chacune mesure environ 75 millions de miles (120 millions de km) de diamètre. En comparaison, le soleil a environ deux millions de cellules convectives, et chacune mesure environ 930 miles (1 500 km) de diamètre.

La même année, les chercheurs ont utilisé le radiotélescope Atacama Large Millimeter/submillimeter Array au Chili pour étudier W Hydrae, une géante rouge trouvée à environ 320 années-lumière de la Terre. Ils ont trouvé un endroit étonnamment lumineux et compact dans l’atmosphère du géant.

« Nos mesures du point lumineux suggèrent qu’il y a de puissantes ondes de choc dans l’atmosphère de l’étoile qui atteignent des températures plus élevées que celles prévues par les modèles théoriques actuels », a déclaré Theo Khouri, astronome à l’Université de technologie Chalmers en Suède et co-auteur d’une étude rapportant les résultats, dans un communiqué à l’époque.

Les supergéantes rouges sont également de plus en plus claires. Par exemple, Bételgeuse a commencé à s’atténuer sensiblement à l’automne 2019 et avait perdu environ les deux tiers de sa luminosité apparente en février suivant. Certains astronomes pensaient que l’étoile géante pourrait entrer dans son agonie, les dernières étapes avant qu’elle ne soit détruite dans une explosion de supernova.

En avril 2020, cependant, Bételgeuse – qui est 11 fois plus massive que notre soleil et 900 fois plus volumineuse – avait retrouvé ses niveaux normaux. Il semble que la « Grande Gradation » ait été causée par un nuage de poussière cosmique, qui est venu temporairement entre l’étoile et les télescopes ici sur Terre. Un certain refroidissement intrinsèque de l’étoile pourrait également avoir joué un rôle, ont déclaré des chercheurs.

L’avenir du soleil

Dans environ cinq milliards d’années, notre propre soleil passera à la phase de géante rouge. Lorsqu’il se dilate, ses couches externes consommeront Mercure et Vénus et atteindront également la Terre. Les scientifiques débattent encore de la question de savoir si notre planète sera engloutie ou si elle orbitera dangereusement près du soleil géant rouge. Quoi qu’il en soit, la vie telle que nous la connaissons sur Terre cessera d’exister.

En fait, la vie de surface sur notre planète sera probablement anéantie bien avant que le soleil ne se transforme en géante rouge. Notre étoile s’est réchauffée au fil des éons, comme le font les étoiles de la séquence principale de sa masse, et dans quelques centaines de millions d’années, elle sera assez chaude pour commencer à évaporer les océans. Il ne reste donc peut-être plus grand-chose à détruire pour notre soleil géant rouge gonflé.

« L’avenir de la Terre est de mourir avec le soleil qui fait bouillir les océans, mais la roche chaude survivra », a déclaré à Reuters l’astrophysicien Don Kurtz, de l’Université du Lancashire.

Cependant, notre soleil changeant peut donner de l’espoir à d’autres planètes. Lorsqu’une étoile se transforme en géante rouge, elle change la « zone habitable » de son système d’origine, la plage de distance orbitale où l’eau liquide peut exister à la surface d’un monde. Parce qu’une étoile reste une géante rouge pendant environ un milliard d’années, il peut être possible que la vie apparaisse sur des planètes et des lunes en orbite lointaine, qui recevront enfin de la chaleur.

« Quand une étoile vieillit et s’éclaircit, la zone habitable se déplace vers l’extérieur, et vous donnez essentiellement un second souffle à un système planétaire », a déclaré le scientifique des exoplanètes Ramses M. Ramirez, chercheur à l’Institut Carl Sagan de l’Université Cornell, dans un communiqué.

« Actuellement, les objets dans ces régions extérieures sont gelés dans notre propre système solaire, comme Europe et Encelade - des lunes en orbite autour de Jupiter et Saturne. »

La fenêtre d’opportunité ne sera toutefois ouverte que brièvement. Lorsque le soleil et d’autres étoiles plus petites redescendent en naines blanches, la lumière vivifiante se dissipera. Et les supernovae d’étoiles plus grandes pourraient présenter d’autres problèmes d’habitabilité.

Ressources additionnelles

Vous pouvez trouver de bonnes introductions aux bases de l’évolution stellaire sur cette page de l’Université de technologie de Swinburne et de la NASA ici. Pour en savoir plus sur les géantes rouges en particulier, consultez cette conférence publiée par l’Université de l’Oregon. Et le site des exoplanètes de la NASA a un bon résumé de ce qui se passera dans notre système solaire lorsque le soleil deviendra une géante rouge.

Bibliographie

Jastrow, Robert. « Red giants and white dwarfs: The evolution of stars, planets, and life », Harper et Row, 1967. https://www.amazon.com/Red-giants-white-dwarfs-evolution/dp/B0006BO9H8
Landau, Élisabeth. « La vie et la mort d’un système planétaire. » https://exoplanets.nasa.gov/life-and-death/intro/
NASA, « Les cycles de vie des étoiles: comment les supernovae se forment. » https://imagine.gsfc.nasa.gov/educators/lessons/xray_spectra/background-lifecycles.html Vlemmings,
Wouter et al. « The shock-heated atmosphere of an asymptotic giant branch star resolved by ALMA », Nature Astronomy 1, 848–853 (2017). https://www.nature.com/articles/s41550-017-0288-9

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Nola Taylor Tillman

Pubilié le 22 janvier 2022 SPACE.com