Le 9 janvier 2019, la revue Nature publiait une étude signée Tremblay et ses coauteurs qui rebattait une idée reçue vieille de plusieurs décennies sur la fin de vie des étoiles. En exploitant les mesures de position et de luminosité du satellite Gaia, l'équipe montrait que le cœur d'une naine blanche peut se cristalliser en cours de refroidissement, un phénomène qui retarde tout le processus. Ce résultat n'a pourtant toujours pas atteint les définitions courtes qui circulent sur le sujet, lesquelles s'arrêtent en général à une phrase sur un « cadavre d'étoile » qui refroidit sans plus d'histoire.
Réponse directe#
Une naine blanche est le noyau restant d'une étoile qui a épuisé son carburant nucléaire, comme le deviendra le Soleil selon la NASA. Elle ne peut pas dépasser 1,4 masse solaire (la limite de Chandrasekhar), pèse environ la moitié de la masse du Soleil pour une taille proche de celle de la Terre, et sa matière est si dense qu'une cuillerée pèserait plusieurs tonnes.
Un noyau qui ne s'effondre pas, et une limite qui porte un nom#
Selon la NASA (Imagine the Universe), une naine blanche est ce que deviennent des étoiles comme le Soleil une fois leur carburant nucléaire épuisé. Ce n'est ni une coquille vide ni une braise qui s'éteint doucement : c'est un cœur stellaire mis à nu, débarrassé de ses couches externes, et il pèse en général environ la moitié de la masse du Soleil pour une taille à peine supérieure à celle de la Terre.
Ce cœur ne peut pas peser n'importe quoi. Subrahmanyan Chandrasekhar a établi que la limite se situe à 1,4 masse solaire : au-delà, l'objet ne peut plus exister sous forme de naine blanche stable. La raison tient à un principe de mécanique quantique, le principe d'exclusion de Pauli, qui interdit à deux électrons d'occuper le même état quantique. Une fois la matière stellaire dans cet état dit dégénéré, la gravité ne peut plus la comprimer davantage : il n'y a tout simplement plus de place disponible, quelle que soit la pression exercée. C'est ce mécanisme qui tient la naine blanche debout contre son propre poids.
La conséquence sur la densité se passe de commentaire. Une naine blanche de la taille de la Terre atteint une densité d'environ 1 x 10^9 kg par mètre cube, soit 200 000 fois celle de notre planète, selon la NASA ; le National Radio Astronomy Observatory confirme indépendamment ce même ordre de grandeur. Concrètement, une cuillerée à café de cette matière pèserait 5,5 tonnes sur Terre, l'équivalent d'un éléphant, d'après une autre page de la NASA. Une troisième page de l'agence illustre la même densité par une comparaison différente, sans chiffre cette fois : plus lourde qu'un pick-up. Deux images, une seule réalité physique.
Géante rouge, nébuleuse planétaire, naine blanche, naine noire : quatre étapes, pas une#
C'est là que la plupart des définitions courtes sèment la confusion, et je le comprends : les mots se ressemblent, les images aussi. Une étoile comme le Soleil traverse d'abord une phase de géante rouge, puis expulse son atmosphère externe. Cette enveloppe expulsée forme la nébuleuse planétaire, un nuage de gaz qui se dissipe progressivement dans l'espace ; le cœur qui reste, lui, devient la naine blanche. Ce sont deux objets distincts, observés à deux moments différents, pas deux noms pour la même chose.
La naine noire est encore autre chose, et c'est peut-être la confusion la plus tenace. Elle désigne un objet purement hypothétique, pas une naine blanche particulièrement vieille qu'on aurait déjà observée quelque part. Aucune naine noire n'existe à ce jour, l'univers n'est tout simplement pas assez âgé pour qu'une naine blanche ait eu le temps de refroidir jusqu'à ce stade terminal. Écrire l'inverse, même en simplifiant pour la vulgarisation, revient à décrire un objet qui n'a, en l'état actuel des connaissances, jamais été observé.
Le Soleil deviendra une naine blanche, mais dans combien de temps ? La NASA elle-même hésite#
C'est le genre de détail qu'un format de définition rapide gomme systématiquement, faute de place : la NASA publie deux horizons temporels différents pour le même événement, et aucune des deux pages ne renvoie vers l'autre. La page consacrée au Soleil (NASA Sun Facts) indique qu'il durera encore environ 5 milliards d'années avant de devenir une naine blanche. La page consacrée aux types d'étoiles (NASA Science) avance, elle, un horizon d'environ 10 milliards d'années, après sa phase de géante rouge. Deux pages officielles de la même agence, deux horizons différents.
Je ne vais pas trancher entre les deux, ce serait malhonnête : rien dans les deux pages ne permet de dire laquelle prime sur l'autre. On peut supposer, sans que ce soit confirmé nulle part, que l'écart vient de ce que chaque page choisit de compter : la fin de la séquence principale d'un côté, la fin complète de la phase de géante rouge de l'autre. Une hypothèse, pas une certitude. Et c'est précisément ce genre de nuance que les pages généralistes ne signalent pas, alors qu'elle vient de la source la plus officielle qui soit.
Ce que Gaia a changé en 2019 : un cœur qui se fige au lieu de refroidir platement#
L'image d'usage veut qu'une naine blanche refroidisse en ligne droite, année après année, sans production de chaleur propre puisqu'elle ne fusionne plus rien. C'est globalement vrai : sauf si elle accrète de la matière d'une étoile voisine, elle se contente de perdre sa chaleur résiduelle sur des milliards d'années, selon la NASA.
Mais l'étude de Tremblay et ses coauteurs, publiée dans Nature en janvier 2019 et synthétisée par l'ESA à partir des données du satellite Gaia, a montré que le cœur de la naine blanche peut se cristalliser pendant ce refroidissement. Le passage de l'état liquide à l'état cristallin libère de la chaleur latente, ce qui retarde tout le processus d'environ un milliard d'années. Rapporté aux échelles de refroidissement que donne la NASA, l'ordre de grandeur frappe : un simple changement d'état de la matière pèse un milliard d'années sur le calendrier d'un astre. C'est le genre de résultat qui ne fait la une nulle part, et qui change pourtant la façon de raconter la fin de vie de la quasi-totalité des étoiles.
Sirius B, l'étoile qu'on a pesée deux fois#
La naine blanche la plus célèbre du ciel nocturne n'est pas visible à l'œil nu depuis la Terre : c'est Sirius B, la compagne de Sirius, l'étoile la plus brillante de notre ciel. En 2005, une mesure par le télescope spatial Hubble, exploitant le décalage gravitationnel de sa lumière, lui attribuait une masse égale à 98 % de celle du Soleil, selon l'ESA.
Cette valeur a depuis été affinée. Une étude postérieure, menée par Bond et ses coauteurs en 2017, avance une masse de 1,018 (plus ou moins 0,011) masse solaire, une donnée qu'on ne trouve, à ma connaissance, que dans une infobox Wikipédia citant l'étude, sans phrase complète à laquelle l'attribuer mot pour mot : à prendre avec la réserve qu'impose une source secondaire. La même page situe Sirius B à environ 8,61 années-lumière de la Terre. Deux mesures, deux méthodes : une bonne illustration de ce que « peser une étoile » veut dire concrètement, et de la marge de progrès que chaque nouvelle instrumentation vient encore grignoter.
Les chiffres clés à retenir#
| Donnée | Valeur | Source |
|---|---|---|
| Masse maximale (limite de Chandrasekhar) | 1,4 masse solaire | NASA Imagine the Universe |
| Masse typique | Environ la moitié de la masse du Soleil | NASA Imagine the Universe |
| Taille typique | Légèrement supérieure à la Terre | NASA Imagine the Universe |
| Densité (naine blanche de la taille de la Terre) | 1 x 10^9 kg/m3, soit 200 000 fois celle de la Terre | NASA / NRAO |
| Poids d'une cuillerée de matière | 5,5 tonnes | NASA Imagine the Universe |
| Retard de refroidissement dû à la cristallisation du cœur | Environ un milliard d'années | ESA, synthèse Tremblay et al. 2019, Nature |
| Masse de Sirius B (mesure Hubble, 2005) | 98 % de la masse du Soleil | ESA |
Ce sont les points de Lagrange qui servent à stationner un télescope, mais c'est bien ce genre d'objet compact, la naine blanche, qui reste l'étape terminale de la quasi-totalité des étoiles observées jusqu'ici, y compris celles dont on suit la position en ascension droite et déclinaison. Le sujet est bien moins souvent détaillé que celui d'objets pourtant plus exotiques, comme le trou noir.
Honnêtement, je ne sais toujours pas quoi penser de cet écart entre les deux pages NASA sur le destin du Soleil. Qu'une agence aussi rigoureuse laisse deux horizons temporels différents en ligne, sans renvoi de l'une vers l'autre, en dit peut-être plus sur la difficulté de vulgariser une échelle de temps aussi peu intuitive que sur un manque de rigueur. Le cas de Gamma Cassiopeiae montre d'ailleurs qu'une naine blanche individuelle peut rester énigmatique très longtemps avant qu'un instrument ne tranche. Pour l'échelle des distances qui séparent ces objets les uns des autres, le calcul de l'année-lumière reste la référence de base.
FAQ#
Qu'est-ce qu'une naine blanche, exactement ?#
C'est le noyau restant d'une étoile, comme le Soleil, une fois son carburant nucléaire épuisé. Elle pèse en général environ la moitié de la masse du Soleil pour une taille à peine supérieure à celle de la Terre, selon la NASA.
Quelle est la masse maximale d'une naine blanche ?#
1,4 masse solaire, la limite de Chandrasekhar établie par Subrahmanyan Chandrasekhar. Au-delà, l'objet ne peut plus exister sous cette forme stable.
Pourquoi une naine blanche ne s'effondre-t-elle pas sous son propre poids ?#
Parce que sa matière est dans un état dit dégénéré, régi par le principe d'exclusion de Pauli : la mécanique quantique interdit à deux électrons d'occuper le même état, donc la gravité ne trouve plus d'espace disponible pour comprimer davantage la matière.
Le Soleil deviendra-t-il une naine blanche, et dans combien de temps ?#
Oui, selon la NASA, mais l'agence donne deux horizons différents sur ses propres pages : environ 5 milliards d'années sur l'une, environ 10 milliards d'années sur l'autre. Les deux sources restent officielles, sans réconciliation publiée entre elles.
Une naine blanche et une naine noire, c'est la même chose ?#
Non. La naine noire est un stade encore plus refroidi et purement hypothétique : aucune n'existe à ce jour, l'univers n'étant pas assez âgé pour qu'une naine blanche ait eu le temps d'atteindre ce stade.
Sources#
- NASA Imagine the Universe, « White Dwarfs and Planetary Nebulae »
- NASA Imagine the Universe, comparaison de densité
- NRAO, « What is the density of a white dwarf ? »
- ESA / Gaia, synthèse de Tremblay et al. 2019, Nature
- NASA Science, « Sun Facts »
- NASA Science, « Types of Stars »
- ESA, « Weighing the Dog Star's companion »
- Wikipedia, « Sirius B »
- Wikipedia, « Black dwarf »
- Image : Nébuleuse planétaire Mz 2, vue par Hubble, crédit ESA/Hubble et NASA, remerciements Serge Meunier, licence CC BY 4.0
