Il y a une cinquantaine d'années, les astronomes avaient prédit quel serait le sort ultime de notre Soleil. Selon la théorie, le Soleil épuisera son carburant d'hydrogène dans des milliards d'années et se développera pour devenir un géant rouge, puis il perdra ses couches externes et deviendra une naine blanche. Après encore quelques milliards d'années de refroidissement, l'intérieur se cristallisera et deviendra solide.
Jusqu'à récemment, les astronomes avaient peu de preuves pour étayer cette théorie. Mais grâce aux Observatoire de Gaia, les astronomes sont désormais en mesure d'observer des centaines de milliers d'étoiles naines blanches avec une immense précision - mesurant leur distance, leur luminosité et leur couleur. À leur tour, cela leur a permis d'étudier ce que l'avenir réserve à notre Soleil quand ce n'est plus l'étoile chaude et jaune que nous connaissons et aimons aujourd'hui.
L'étude qui décrit ces résultats a récemment été publiée dans la revue La nature sous le titre "Core cristallisation et empilement dans la séquence de refroidissement des naines blanches en évolution." L'étude était dirigée par Pier-Emmanuel Tremblay, professeur adjoint à l'Université de Warwick, et comprenait plusieurs chercheurs du groupe d'astronomie et d'astrophysique de Warwick, de l'Université de Montréal et de l'Université de Caroline du Nord.
En ce qui concerne l'évolution stellaire, des décennies d'observations combinées à des modèles théoriques ont permis aux astronomes de conclure ce qui va arriver à une étoile en fonction de sa classification. Alors que les étoiles plus grandes (comme les super-géantes bleues) finissent par devenir des supernovaes et deviennent des étoiles à neutrons ou des trous noirs, des étoiles plus petites comme notre Soleil perdront leurs couches externes pour devenir des nébuleuses planétaires, et finiront finalement leur cycle de vie comme un nain blanc.
Ces étoiles ultra-denses continuent d'émettre des radiations en se refroidissant, un processus qui dure des milliards d'années. Finalement, leurs intérieurs seront suffisamment frais - environ 10 millions ° C (50 millions ° F) - pour que la pression extrême exercée sur leurs noyaux provoque la cristallisation et la solidification du matériau. On estime que ce sera le sort de jusqu'à 97% des étoiles de la Voie lactée, tandis que les autres deviendront des étoiles à neutrons ou des trous noirs.
Étant donné que les naines blanches sont parmi les étoiles les plus anciennes de l'Univers, elles sont incroyablement utiles aux astronomes. Comme leur cycle de vie est prévisible, ils sont utilisés comme «horloges cosmiques» pour estimer l'âge de groupes d'étoiles voisines avec un haut degré de précision. Mais déterminer ce qui arrive aux naines blanches vers la fin de leur cycle de vie a été difficile.
Auparavant, les astronomes étaient limités en ce qui concerne le nombre de naines blanches qu'ils pouvaient étudier. Tout cela a changé avec le déploiement de Gaia, un observatoire spatial qui a passé ces dernières années à mesurer avec précision les positions, distances et mouvements des étoiles pour créer le catalogue spatial 3D le plus détaillé jamais réalisé.
Comme Pier-Emmanuel Tremblay, boursier ERC * Starting Grant Fellow, l'a indiqué dans un récent communiqué de presse de l'ESA:
«Auparavant, nous n'avions des distances que pour quelques centaines de naines blanches et beaucoup d'entre elles étaient en grappes, où elles ont toutes le même âge. Avec Gaia, nous avons maintenant la distance, la luminosité et la couleur de centaines de milliers de naines blanches pour un échantillon important dans le disque externe de la Voie lactée, couvrant une gamme de masses initiales et toutes sortes d'âges. »
Pour leur étude, les astronomes ont utilisé les données de Gaia pour analyser plus de 15 000 candidats restants stellaires à moins de 300 années-lumière de la Terre. À partir de cet échantillon, ils ont pu identifier un excès dans le nombre d'étoiles (aka. Un empilement) qui avaient des couleurs et des luminosités spécifiques qui ne correspondaient à aucune masse ou âge.
Cette accumulation, une fois comparée aux modèles évolutifs des étoiles, semble coïncider avec le stade de développement où les étoiles perdent de la chaleur en grande quantité. Ce processus ralentit le processus de refroidissement naturel et provoque l'arrêt des gradations des étoiles mortes, ce qui les fait apparaître jusqu'à 2 milliards d'années de moins qu'elles ne le sont réellement.
«Il s'agit de la première preuve directe que les naines blanches cristallisent ou passent du liquide au solide», a expliqué Tremblay dans un communiqué de presse de Warwick. «Il était prédit il y a cinquante ans que nous devrions observer une accumulation du nombre de naines blanches à certaines luminosités et couleurs en raison de la cristallisation et ce n'est que maintenant que cela a été observé.»
Ce modèle, où la luminosité n'est pas liée à l'âge, était l'une des principales prédictions faites sur la cristallisation des naines blanches il y a 50 ans. Maintenant que les astronomes ont des preuves directes de ce processus à l'œuvre, cela aura probablement un impact sur notre compréhension des regroupements stellaires des naines blanches qui devraient être inclus.
«Les naines blanches sont traditionnellement utilisées pour la datation des populations stellaires telles que les amas d'étoiles, le disque extérieur et le halo de notre Voie lactée», a déclaré Tremblay. «Nous devrons maintenant développer de meilleurs modèles de cristallisation pour obtenir des estimations plus précises de l'âge de ces systèmes.»
Par exemple, alors que toutes les naines blanches se cristalliseront à un moment donné de leur évolution, le temps nécessaire varie en fonction de l'étoile. Les naines blanches plus massives se refroidissent plus rapidement et atteignent la température à laquelle la cristallisation se produit plus tôt (dans environ un milliard d'années). Les petites naines blanches, ce que deviendra notre Soleil, peuvent nécessiter jusqu'à six milliards d'années pour effectuer la même transition.
«Cela signifie que des milliards de naines blanches dans notre galaxie ont déjà terminé le processus et sont essentiellement des sphères cristallines dans le ciel», a déclaré Tremblay. Pendant ce temps, notre Soleil devrait subir cette transition dans environ dix milliards d'années. À ce stade, notre Soleil aura quitté sa phase de branche de géant rouge, deviendra une naine blanche et commencera le processus de cristallisation.
Ceci est juste la dernière révélation à venir de la Gaia mission, qui a passé les cinq dernières années à cataloguer des objets célestes dans la Voie lactée et les galaxies voisines. Avant la fin de la mission (prévue pour 2022), deux autres versions de données sont prévues, la version DR3 étant prévue pour 2021 et la version finale restant à déterminer.
* La recherche a été rendue possible grâce au financement du Conseil européen de la recherche (CER).
