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Comment comprendre la masse d'une étoile

Comment comprendre la masse d'une étoile

Presque tout dans l'univers a une masse, depuis les atomes et les particules subatomiques (comme ceux étudiés par le Grand collisionneur de hadrons) jusqu'aux grappes géantes de galaxies. Les seules choses que les scientifiques connaissent jusqu'à présent et qui n'ont pas de masse sont les photons et les gluons.

Il est important de connaître la masse, mais les objets dans le ciel sont trop éloignés. Nous ne pouvons pas les toucher et nous ne pouvons certainement pas les peser par des moyens conventionnels. Alors, comment les astronomes déterminent-ils la masse de choses dans le cosmos? C'est compliqué.

Stars et messe

Supposons qu'une étoile typique soit assez massive, généralement beaucoup plus qu'une planète typique. Pourquoi se soucier de sa masse? Il est important de connaître ces informations car elles révèlent des indices sur le passé, le présent et l’avenir d’une star.

Les astronomes utilisant le télescope spatial Hubble ont identifié neuf étoiles monstres ayant une masse plus de 100 fois supérieure à celle du Soleil. Ils se trouvent dans l'amas d'étoiles R136 dans le Grand Nuage de Magellan. La masse est une caractéristique importante pour déterminer la durée de vie des étoiles. NASA / ESA / STScI

Les astronomes peuvent utiliser plusieurs méthodes indirectes pour déterminer la masse stellaire. Une méthode, appelée lentille gravitationnelle, mesure le trajet de la lumière qui est courbée par l’attraction gravitationnelle d’un objet proche. Bien que le degré de flexion soit faible, des mesures minutieuses peuvent révéler la masse de l'attraction gravitationnelle de l'objet qui tire.

Mesures de masse en étoile typiques

Jusqu'au 21ème siècle, les astronomes ont mis des lentilles gravitationnelles à la mesure de masses stellaires. Avant cela, ils devaient s’appuyer sur des mesures d’étoiles en orbite autour d’un centre de masse commun, appelé étoile binaire. La masse des étoiles binaires (deux étoiles en orbite autour d'un centre de gravité commun) est assez facile à mesurer pour les astronomes. En fait, plusieurs systèmes stellaires fournissent un exemple classique de la façon de calculer leurs masses. C'est un peu technique mais mérite d'être étudié pour comprendre ce que les astronomes doivent faire.

Image du télescope spatial Hubble de Sirius A et B, un système binaire situé à 8,6 années-lumière de la Terre. NASA / ESA / STScI

Premièrement, ils mesurent les orbites de toutes les étoiles du système. Ils calculent également la vitesse orbitale des étoiles et déterminent ensuite le temps nécessaire à une étoile pour franchir une orbite. C'est ce qu'on appelle sa "période orbitale".

Calcul de la masse

Une fois que toutes ces informations sont connues, les astronomes effectuent ensuite des calculs pour déterminer la masse des étoiles. Ils peuvent utiliser l'équation Vorbite = SQRT (GM / R) où SQRT est "racine carrée" a, g est la gravité, M est la masse, et R est le rayon de l'objet. C'est une question d'algèbre de démêler la masse en réarrangeant l'équation à résoudre pour M

Ainsi, sans jamais toucher une étoile, les astronomes utilisent des mathématiques et des lois physiques connues pour déterminer sa masse. Cependant, ils ne peuvent pas le faire pour toutes les étoiles. D'autres mesures les aident à comprendre les masses pour les étoilesne pas dans des systèmes binaires ou à étoiles multiples. Par exemple, ils peuvent utiliser les luminosités et les températures. Les étoiles de luminosités et de températures différentes ont des masses très différentes. Ces informations, lorsque tracées sur un graphique, montrent que les étoiles peuvent être classées par température et luminosité.

Les étoiles vraiment massives sont parmi les plus chaudes de l'univers. Les étoiles de moindre masse, comme le Soleil, sont plus fraîches que leurs frères et sœurs gigantesques. Le graphique des températures, des couleurs et de la luminosité des étoiles s'appelle le diagramme de Hertzsprung-Russell. Par définition, il indique également la masse de l'étoile, en fonction de son emplacement sur la carte. S'il se trouve sur une longue courbe sinueuse appelée séquence principale, les astronomes savent alors que sa masse ne sera ni gigantesque, ni petite. La plus grande masse et les étoiles de plus petite masse tombent en dehors de la séquence principale.

Cette version du diagramme de Hertzprung-Russell trace la température des étoiles en fonction de leur luminosité. La position d'une étoile dans le diagramme fournit des informations sur son stade, ainsi que sur sa masse et sa luminosité. Observatoire européen austral

Evolution stellaire

Les astronomes ont une bonne idée de la manière dont les étoiles naissent, vivent et meurent. Cette séquence de vie et de mort est appelée "évolution stellaire". Le plus grand prédicteur de l'évolution d'une étoile est la masse avec laquelle elle est née, sa "masse initiale". Les étoiles de faible masse sont généralement plus froides et plus faibles que leurs homologues de masse supérieure. Ainsi, en regardant simplement la couleur, la température et le lieu de vie d’une étoile dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les astronomes peuvent avoir une bonne idée de la masse d’une étoile. Les comparaisons d'étoiles similaires de masse connue (telles que les binaires mentionnées ci-dessus) donnent aux astronomes une bonne idée de la taille d'une étoile donnée, même s'il ne s'agit pas d'un objet binaire.

Bien sûr, les stars ne gardent pas la même masse toute leur vie. Ils le perdent en vieillissant. Ils consomment progressivement leur combustible nucléaire et finissent par subir d’énormes épisodes de perte massive en fin de vie. Si ce sont des étoiles comme le Soleil, elles s’éjectent doucement et forment des nébuleuses planétaires (généralement). S'ils sont beaucoup plus massifs que le Soleil, ils meurent lors d'événements de supernova, où les noyaux s'effondrent puis se dilatent en une explosion catastrophique. Cela envoie une grande partie de leur matériau dans l'espace.

Image composite de la nébuleuse du Crabe, un résidu de supernova qui a annoncé la mort d'une étoile très massive. NASA / ESA / ASU / J. Hester et A. Loll

En observant les types d'étoiles qui meurent comme le soleil ou dans une supernovae, les astronomes peuvent en déduire ce que les autres étoiles feront. Ils connaissent leurs masses, ils savent comment d'autres stars ayant des masses similaires évoluent et meurent, et peuvent donc faire de très bonnes prédictions, basées sur des observations de couleur, de température et d'autres aspects qui les aident à comprendre leurs masses.

Observer les étoiles ne se résume pas à la collecte de données. Les informations recueillies par les astronomes sont regroupées dans des modèles très précis qui les aident à prédire exactement ce que les étoiles de la Voie Lactée et de l’univers feront comme elles sont nées, vieillies et meurent, en se basant sur leurs masses. En fin de compte, cette information aide également les gens à mieux comprendre les étoiles, en particulier notre Soleil.

Faits rapides

  • La masse d'une étoile est un facteur prédictif important pour de nombreuses autres caractéristiques, y compris sa durée de vie.
  • Les astronomes utilisent des méthodes indirectes pour déterminer les masses d'étoiles car elles ne peuvent pas les toucher directement.
  • Généralement parlant, plus d'étoiles massives vivent moins longtemps que les moins massives. C'est parce qu'ils consomment leur combustible nucléaire beaucoup plus rapidement.
  • Les étoiles comme notre Soleil ont une masse intermédiaire et se termineront de manière bien différente des étoiles massives qui se feront exploser au bout de quelques dizaines de millions d'années.