Le cycle de vie des étoiles : de la nébuleuse au trou noir

Une étoile démarre sa vie comme une zone plus dense dans un immense nuage d'hydrogène et de poussière — une nébuleuse. Sous l'effet de sa propre gravité, cette zone se contracte, s'échauffe et se met à tourner ; en son cœur, un embryon d'étoile grossit en avalant la matière qui tombe vers lui. Ce chauffage dure des centaines de milliers d'années. Quand la température centrale atteint le seuil de la fusion de l'hydrogène, l'étoile s'allume : elle rejoint le grand cortège des astres qui brillent par eux-mêmes. Les Piliers de la Création, ces trois colonnes photographiées par Hubble en 2014, sont exactement ce décor : des doigts de gaz que le rayonnement des jeunes étoiles sculpte et évapore, tandis que d'autres soleils continuent de se former à l'abri, à l'intérieur.

Pour voir une nurserie d'étoiles de vos yeux, pointez M42, la Grande Nébuleuse d'Orion : magnitude 4, à 1344 années-lumière, sous les trois étoiles du Baudrier, en hiver. À l'œil nu elle forme une brume floue au milieu de l'épée ; dès une paire de jumelles elle prend du volume, et dans un télescope de 100 à 150 mm ses voiles gris-vert s'étalent autour des quatre étoiles serrées du Trapèze — quatre soleils nés là il y a moins d'un million d'années. Les images Hubble révèlent même des disques protoplanétaires, ces cocons de poussière autour des plus jeunes astres où des planètes sont peut-être en train de se former. M42, c'est le premier chapitre de l'histoire, ouvert en direct.

Une fois allumée, l'étoile entre dans la plus longue phase de son existence : la séquence principale. Deux forces s'y opposent dans un équilibre parfait. La gravité tire toute la matière vers le centre ; la pression produite par la fusion de l'hydrogène en hélium, au cœur, pousse vers l'extérieur. Tant que le carburant coule, l'étoile tient cet équilibre sans broncher — c'est pour cela qu'elle nous paraît immuable. Notre Soleil est une étoile de séquence principale on ne peut plus banale, âgée de près de 5 milliards d'années et à peu près à la moitié de sa réserve : il lui reste autant à vivre. La règle est implacable : plus une étoile est massive, plus elle brûle vite et court. Une étoile dix fois plus lourde que le Soleil épuise tout en quelques millions d'années ; une petite naine rouge tiendra des centaines de milliards d'années.

Le jour où le cœur a converti tout son hydrogène en hélium, l'équilibre se rompt. Le centre se contracte et s'échauffe encore, la fusion gagne les couches autour du noyau, et l'enveloppe de l'étoile se dilate énormément en se refroidissant : elle vire à l'orange puis au rouge. C'est la géante rouge. Dans quelques milliards d'années, le Soleil enflera au point d'engloutir Mercure et Vénus. Vous pointez déjà de tels astres : Aldébaran, l'œil orangé du Taureau (magnitude 0,9, à 65 années-lumière), est une géante rouge ; Bételgeuse (magnitude autour de 0,5, à environ 640 années-lumière), l'épaule d'Orion, et Antarès, le cœur du Scorpion (magnitude 1, à 550 années-lumière), sont des supergéantes rouges, si vastes qu'elles rempliraient l'orbite de Mars. En 2020, Bételgeuse a perdu de son éclat au point d'alerter le monde entier — une simple bouffée de poussière, mais un rappel qu'elle vit ses derniers chapitres.

Arrivée au stade de géante, une étoile prend l'une de deux routes, décidée dès sa naissance par sa masse. Les étoiles petites et moyennes — comme le Soleil, ou jusqu'à environ huit fois plus lourdes — n'atteignent jamais les températures nécessaires pour fusionner les éléments lourds jusqu'au bout : elles s'éteignent en douceur, soufflant leurs couches externes en une bulle qu'on appelle nébuleuse planétaire, et laissant un cœur nu, la naine blanche. Les étoiles massives, elles, fusionnent des éléments de plus en plus lourds jusqu'au fer ; là, la machine se bloque net, le cœur s'effondre en une fraction de seconde et l'étoile explose en supernova, ne laissant qu'une étoile à neutrons ou un trou noir. Le tableau ci-dessous récapitule ces deux destins et l'objet à pointer pour chacun.

Une étoile de masse modérée termine sans violence. Ses couches externes, devenues instables, se détachent et s'éloignent lentement dans l'espace, formant une coquille de gaz qui brille — une nébuleuse planétaire (le nom, trompeur, vient de leur disque rond qui évoquait une planète dans les lunettes du XVIIIᵉ siècle). Le joyau du genre est M57, l'Anneau de la Lyre : magnitude 8,8, à 2300 années-lumière, un rond de fumée parfait glissé entre les deux étoiles basses de la Lyre, net dès 100 mm à fort grossissement. Plus vaste et plus lumineux, M27, l'Haltère (magnitude 7,4, à environ 1250 années-lumière) montre sa forme de trognon de pomme dès une petite lunette. Chacun de ces gaz ne durera que quelques dizaines de milliers d'années avant de se diluer — à l'échelle du ciel, un feu d'artifice éphémère.

Au centre de la bulle reste le cœur mis à nu de l'étoile : une naine blanche, un astre incroyablement dense et brûlant, comprimé à la taille de la Terre alors qu'il pesait autant qu'une étoile. Elle ne produit plus d'énergie : elle rayonne sa chaleur résiduelle et refroidira sur des milliards d'années. La plus célèbre est Sirius B, la compagne de Sirius, l'étoile la plus brillante du ciel (magnitude −1,46, à 8,6 années-lumière). Sirius B ne brille qu'à la magnitude 8,4 et se cache dans l'éclat écrasant de sa voisine : la débusquer est l'un des défis les plus réputés du ciel, réservé aux grands diamètres et aux nuits très stables. Voilà ce qui attend le Soleil : dans quelque huit milliards d'années, une petite braise blanche entourée d'un anneau évanescent.

Une étoile massive fusionne des éléments toujours plus lourds jusqu'à bâtir un cœur de fer. Le fer ne libère plus d'énergie en fusionnant : la production de pression s'arrête d'un coup, et le cœur s'effondre sur lui-même en une fraction de seconde. L'onde de choc qui rebondit pulvérise l'étoile en une supernova, un éclair qui peut, quelques semaines durant, briller autant qu'une galaxie tout entière. La plus fameuse cicatrice est M1, la nébuleuse du Crabe : magnitude 8,4, à 6500 années-lumière, ce sont les débris en expansion d'une étoile dont l'explosion, en l'an 1054, fut notée par les astronomes chinois — assez brillante pour rester visible en plein jour trois semaines. À l'oculaire, M1 apparaît comme une tache grise allongée dès 100 à 150 mm ; sa structure de filaments reste réservée à la photographie et aux grands diamètres.

L'effondrement laisse un vestige qui dépend, encore, de la masse. Pour une étoile massive « ordinaire », le cœur se compacte en une étoile à neutrons : une sphère d'une vingtaine de kilomètres qui concentre plus de matière que le Soleil, si dense qu'une pincée pèserait des millions de tonnes. Beaucoup tournent sur elles-mêmes en balayant l'espace d'un faisceau régulier : ce sont les pulsars. Au cœur du Crabe bat justement un pulsar qui tourne trente fois par seconde. Pour les étoiles les plus lourdes, rien n'arrête l'effondrement : la matière disparaît dans un trou noir, une région d'où même la lumière ne s'échappe pas. On ne le voit pas, mais on le trahit — Cygnus X-1, dans le Cygne, dévore le gaz d'une étoile compagne qui hurle en rayons X. La dernière supernova assez proche pour être vue à l'œil nu, SN 1987A, a brillé dans le Grand Nuage de Magellan en 1987 ; les précédentes, observées par Tycho Brahe et Kepler, remontent à la fin du XVIᵉ siècle.

Comme les étoiles d'un même amas sont toutes nées ensemble, un amas est un instantané : toutes ses étoiles ont le même âge, et leur allure révèle où elles en sont de leur vie. Les Pléiades (M45), magnitude 1,6 à 440 années-lumière, ne comptent qu'environ 100 millions d'années : leurs étoiles les plus lourdes brûlent encore, d'un blanc-bleu ardent, et le groupe éclate en diamants aux jumelles — une jeunesse pure. À l'autre bout de la vie, l'amas globulaire M13, dans Hercule (magnitude 5,8, à 25 000 années-lumière), affiche près de 12 milliards d'années : ses étoiles bleues ont toutes disparu depuis longtemps, il ne reste qu'une foule d'astres jaunes et rouges, patinés par le temps. Comparer M45 et M13, c'est feuilleter le même album à deux âges extrêmes.