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Des cristaux géants dans l’Univers

13-02-2019

Source: Université de Montréal.

Les astronomes se doutaient depuis plusieurs décennies que les naines blanches, ces étoiles en fin de vie, cristallisaient. Ils viennent de le prouver.

Saviez-vous que la majorité des étoiles finiront leur vie en cristaux géants ? Que c’est le destin de notre propre Soleil, dans 5 milliards d’années ? Il est difficile d’imaginer que ces boules de feu puissent se solidifier en cristal encore plus dur que le diamant. Pourtant, c’est ce qu’a observé une équipe internationale d’astronomes, qui a publié ses résultats dans la revue Nature.

« Des sphères dures qui ne brillent plus, qu’on ne voit plus, mais qui sont toujours là, en orbite dans notre galaxie, il y en a des centaines de millions ! », s’enchante l’un des auteurs, Gilles Fontaine, un spécialiste des naines blanches à l’Université de Montréal, encore ébahi par la découverte qu’il a effectuée avec son « petit-fils scientifique », Pier-Emmanuel Tremblay.

Grâce aux données du télescope spatial Gaia, les astrophysiciens ont pu apporter les premières preuves directes de ce phénomène de cristallisation, postulé il y a 50 ans, en observant 15 000 naines blanches.

On appelle naine blanche le cadavre d’une étoile qui a épuisé son carburant nucléaire. Dans le cimetière stellaire, 97% des étoiles finissent dans cet état : un noyau de gaz extrêmement dense – de la taille de la Terre, mais avec la même masse que le Soleil – que des effets quantiques ont gardé compacté lorsque l’astre s’est écroulé sous les forces de la gravité. Sauf qu’au cours de leur refroidissement, qui dure des milliards d’années, les noyaux de ces restes d’étoiles cristallisent, un peu comme de l’eau qui se transforme en glace.

50 ans à la recherche d’une signature

C’est du moins la théorie sur laquelle a travaillé dans les années 1960 un jeune astrophysicien de l’université américaine de Rochester, Hugh M. Van Horn. Même si la température au cœur des naines blanches atteint des millions de degrés Celsius, les conditions de pression sont telles que la boule de gaz change de phase : elle devient liquide, puis le carbone et l’oxygène du cœur cristallisent.

Selon Hugh M. Van Horn, une grande libération d’énergie thermique a lieu lors de ce changement d’état, ce qui ralentit le processus de refroidissement de l’étoile. Mais pas évident d’observer le phénomène « en vrai », car les naines blanches, de par leur petite taille, sont peu lumineuses.

« On s’est rendu compte que la cristallisation devait laisser une signature qui nous permettrait d’étudier les naines blanches à distance », explique Gilles Fontaine, le premier doctorant de Van Horn, qui a suivi ses travaux de près. En effet, si le refroidissement est ralenti pendant une très longue période (environ un milliard d’années), plusieurs naines blanches auront une luminosité stagnante. D’où l’idée: on pourrait observer une accumulation de naines blanches bloquées à ce stade de leur évolution, avec le même éclat stable.

Mais pour connaître la luminosité intrinsèque d’une étoile, il faut pouvoir mesurer précisément sa distance. Jusqu’alors, seules les données de 100 à 150 naines blanches étaient connues. « C’est le satellite Gaia qui a été la révolution, la mission astrométrique était extraordinaire, on a pu obtenir la distance de 500 millions d’étoiles, parmi lesquelles 200 000 naines blanches ! », s’exclame l’astrophysicien.

Gaia a cartographié avec une précision inédite 1,7 milliards d’étoiles dans la Voie Lactée. Image: ESA/ATG medialab; ESO/S. Brunier

Quatre générations de scientifiques

Bien des chercheurs ont vu passer ces données recueillies par le satellite Gaia, lancé fin 2013 par l’Agence spatiale européenne. Si le chercheur de l’Université de Montréal n’avait pas travaillé aux côtés de Van Horn, à l’époque où il étudiait l’astrophysique à l’Université de Rochester, il n’aurait peut-être pas vu non plus cette preuve empirique de la cristallisation des étoiles. « Je n’avais pas du tout étudié les données de Gaia. Quand Pier-Emmanuel m’a envoyé un message pour me demander ce que je pensais des résultats, j’ai sauté au plafond: elle était là la signature prédite 50 ans auparavant, c’était une vraie surprise ! », se réjouit le chercheur. Cette découverte est le fruit de quatre générations de scientifiques. Pier-Emmanuel Tremblay, aujourd’hui professeur à l’Université de Warwick au Royaume-Uni, n’est autre que le doctorant de Pierre Bergeron, qui faisait partie de la cohorte d’étudiants formés par Gilles Fontaine à l’Université de Montréal.

Cette observation ouvre de nouvelles perspectives sur le calibrage de nos horloges astronomiques. Les naines blanches jouent en effet un rôle important pour déterminer l’âge des populations stellaires. En calculant la durée de vie des naines blanches dans un disque comme la Voie lactée, on peut remonter à l’âge du disque lui-même. « Il y a 50 ans, quand j’ai commencé à travailler sur le sujet, on ne pouvait même pas voir les naines blanches dans les amas stellaires. Aujourd’hui les incertitudes quant à l’utilisation des naines blanches comme horloges cosmiques sont de l’ordre de 20 à 30%, mais si on réussit à modéliser plus finement cette accumulation d’étoiles, notre méthode sera plus affûtée et les incertitudes seront beaucoup plus faibles », explique Gilles Fontaine, le pionnier de cette méthode de cosmochronologie. Voilà donc un nouveau défi pour les astrophysiciens !

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