L’un des moments les plus appréciés des astronomes est le crépuscule. Lorsque le Soleil se couche, le ciel s’assombrit et les premières étoiles sont visibles. Au début, il y en a deux ou trois, mais au fil des minutes, elles deviennent de plus en plus visibles ; les premières à apparaître seront les étoiles les plus brillantes de la nuit, les dernières, les plus faibles. Mais leur luminosité n’est pas la seule chose qui différencie les étoiles. Au fur et à mesure que la nuit avance et que le ciel s’assombrit, si nous regardons attentivement, nous verrons des étoiles rouges, blanches et bleues… Les étoiles ont des couleurs, et apprendre à les connaître nous entraîne dans un voyage fascinant à travers leur vie.
Pendant ces premières semaines de printemps, il est facile de repérer la constellation d’Orion, ainsi que Canis Major et Taurus, peu après le coucher du soleil. À première vue, les étoiles peuvent sembler avoir la même couleur, mais si l’on cherche un ciel sombre et que l’on y regarde de plus près, on remarquera des couleurs différentes. Sirius (dans le Canis Major) est blanche, Rigel (le pied droit d’Orion) est bleue, Aldébaran (dans le Taureau) est orange et Bételgeuse (l’épaule gauche d’Orion) est rouge.
Dans la maison de l’astrophysicien, les robinets sont inversés
Le fait que les étoiles aient des couleurs différentes n’est pas une simple curiosité. La couleur fournit une donnée fondamentale en astrophysique stellaire : la température de surface de l’étoile. Les étoiles les plus chaudes sont bleues et les plus froides sont rouges, contrairement à l’utilisation des couleurs dans l’art et dans notre expérience quotidienne. C’est pourquoi on dit souvent que chez l’astrophysicien, les robinets sont inversés : le bleu indique le chaud et le rouge le froid.
La classification stellaire de Morgan-Keenan est basée sur les couleurs des étoiles, allant des étoiles les plus bleues (les plus énergétiques) aux étoiles rouges (les plus faibles), en passant par les types O B A F G K M. Comme règle mnémotechnique, la phrase Oh Be a Fine Girl(Guy), Kiss Me est souvent utilisée pour nous les rappeler – une blague classique dans les facultés du monde entier où l’astrophysique est enseignée.
La classification des étoiles indique aussi habituellement la luminosité absolue des étoiles. Il est important de nuancer ce habituellement, car nous verrons quelques exceptions plus tard. Les étoiles bleues ont tendance à être les plus brillantes, et les étoiles rouges les plus faibles. Mais les observateurs les plus expérimentés rencontreront la nuit des étoiles rouges plus brillantes que les étoiles blanches ou bleues. Comment cela est-il possible ? Il faut se rappeler que, lorsqu’on observe depuis la Terre, les étoiles sont à des distances différentes. Ainsi, une étoile rouge qui brille faiblement mais qui est très proche semblera briller davantage qu’une étoile bleue qui est beaucoup plus éloignée.
A part la température et la luminosité, la couleur indique aussi généralement -avec la même réserve- la taille d’une étoile : les étoiles bleues les plus chaudes et les plus énergétiques sont généralement plus grosses et les rouges plus petites.
Un diagramme stellaire
Sachant que par la couleur d’une étoile on peut estimer sa température de surface et généralement connaître sa luminosité et sa taille, les astronomes Ejnar Hertzsprung et Henry Norris Russell ont rassemblé ces caractéristiques dans un graphique connu aujourd’hui sous le nom de diagramme de Hertzsprung-Russell, qu’ils ont tous deux développé indépendamment vers 1910.
Sur ce diagramme H-R, l’axe vertical ordonne les types d’étoiles des plus faibles aux plus brillantes, tandis que l’axe horizontal les ordonne des plus chaudes aux plus froides, en tenant compte de leur température, de leur couleur et de leur classification stellaire. Le résultat est un regroupement diagonal qui ordonne les étoiles selon ces caractéristiques : cette partie du diagramme est appelée la séquence principale.
La plupart des étoiles se trouvent dans la séquence principale. Elles brillent grâce aux réactions de fusion nucléaire dans leur cœur, qui transforment l’hydrogène en hélium. Ces étoiles sont au stade où elles sont matures et passent la majeure partie de leur vie active. En termes humains, la séquence principale serait le stade allant de l’adolescence à la retraite. Notre Soleil semble être proche du milieu de cette durée de vie stellaire : c’est une étoile jaune de type G moyen.
Le tableau périodique des étoiles
Les étoiles peuvent briller pendant des milliards d’années, mais rien n’est éternel. Le combustible qu’elles utilisent pour les réactions nucléaires est limité et finit par s’épuiser. Lorsqu’il n’y a plus d’hydrogène à brûler, la fusion de l’hélium prend le relais, mais contrairement à l’étape précédente, celle-ci est beaucoup plus énergique. C’est ainsi que les étoiles, arrivées en fin de vie, gonflent jusqu’à des milliers de fois leur taille initiale, devenant des géantes. Cette expansion entraîne également une perte de chaleur à leur surface, car elles doivent distribuer plus d’énergie sur une plus grande surface, et c’est pourquoi elles deviennent rouges. Ces étoiles géantes rouges constituent une exception et sont situées dans la partie supérieure droite du diagramme, appelée zone des géantes rouges.
Les géantes rouges ne durent pas longtemps (à l’échelle stellaire) et épuisent rapidement le peu de carburant qui leur reste. Les géantes rouges ne durent pas longtemps (à l’échelle stellaire) et épuisent rapidement le peu de combustible qui leur reste. Lorsque cela se produit, l’étoile n’a plus de réactions nucléaires à l’intérieur qui lui permettaient de se maintenir ; la gravité tire alors sur toute sa surface et réduit l’étoile à l’état de naine. Du fait de cette compression brutale, l’énergie est concentrée et sa surface augmente en température, ce qui change radicalement sa luminosité en blancheur. Le cadavre d’une étoile s’appelle une naine blanche. Ces cadavres stellaires constituent une autre exception à la séquence principale et sont situés en bas à gauche du diagramme.
Sans aucun doute, l’une des plus grandes réalisations de la science est le tableau périodique des éléments. On pourrait dire que le diagramme de Hertzsprung-Russell est le tableau périodique des étoiles. Dans sa forme complète, il peut ressembler à un arc-en-ciel étrange et déformé ; cependant, une fois que nous savons comment le lire, nous pouvons voir comment les différentes couleurs des étoiles sont liées à leur température, leur taille, leur luminosité et leur phase de vie stellaire, réparties de manière ordonnée et élégante. C’est une merveilleuse carte au trésor pour les amateurs d’astronomie : la clé pour sauter dans une autre dimension, tant dans la connaissance du cosmos que dans la capacité à profiter de la beauté du firmament.