Licence de Physique – Université des Sciences Montpellier II PLANÈTES ET EXOBIOLOGIE module Culture générale cours IV Etoiles Pr. Denis Puy Groupe de Recherche d’Astronomie et d’Astrophysique du Languedoc Denis.Puy@graal.univ-montp2.fr

I- Structuration de l’Univers II- Astrochimie III- Formation gravitationnelle IV- Etoiles V- Planètes VI- Exoplanètes VII- Exobiologie

Qu’est ce qu’une étoile ?

Comment se forme une étoile ?

Il existe des « poussières » dans l’Univers (Exemple la nébuleuse à Tête de Cheval dans le milieu interstellaire local)

Grains interstellaires

  m1 m2 F = G m1 m2 / r2 LOI DE LA GRAVITATION UNIVERSELLE Attraction entre corps de masses m1 et m2 F = G m1 m2 / r2   m1 m2 r

Les Inhomogénéités dans une structure en effondrement vont Produire un axe de rotation  Aplatissement de la structure Formation de disque ou PROPLYDES (disque protoplanétaire)

DISQUE D’ACCRETION

il existe des grains de poussières et des molécules dans l’Univers Influence sur l’évolution thermique de l’effondrement gravitationnel Les molécules bon agent thermodynamique FRAGMENTATION DE LA STUCTURE EN EFFONDREMENT

un effondrement gravitationnel ? Peut-on stopper un effondrement gravitationnel ?

L’opposition forces de pression et gravitation POUVANT « S’OPPOSER » AUX FORCES GRAVITATIONNELLES 1- FORCE DE COHESION SOLIDE ET MOLECULAIRE ROCHES 2- FORCE ATOMIQUE ET ELECTROMAGNETIQUE PARTICULES CHARGÉES 3- FORCE NUCLEAIRES FUSION DE NOYAUX, RAYONNEMENT 4- FORCES ELEMENTAIRES FORCES FONDAMENTALES AU CONFINEMENT L’opposition forces de pression et gravitation va dépendre de la masse en effondrement

L’opposition principale à la gravitation sera, dans les étoiles, les réactions nucléaires Réaction de fusion: hydrogène + hydrogène → hélium

Système de réactions couplées (système d’équations couplées)

Chaîne p-p : 1ere phase de l’étoile Durée: environ plusieurs milliards d’années

Peut-on « vérifier » la théorie ?

Une étoile émet des neutrinos en très grande quantité Ceux-ci viennent DIRECTEMENT du cœur de l’étoile LE NEUTRINO INTERAGIT TRES PEU AVEC LA MATIÈRE

SECTION EFFICACE NEUTRINOS = 10-28 m2

Superkamiokande (Japon)

Superkamiokande (Japon)

IL EXISTE TROIS TYPES DE NEUTRINOS DANS LA NATURE ON MESURE SEULEMENT LES NEUTRINOS ELECTRONIQUES neutrinos électroniques Neutrinos muoniques neutrinos tauiques Problème: Les neutrinos peuvent se « changer » entre eux !

La détection des neutrinos solaires confirme les théories stellaires

Lorsque la chaîne p-p est finie ? Que se passe t-il ?

Cycle CNO

L’arrêt des réactions de chaîne pp  Les effets de pression diminuent La gravité contracte le cœur Le début des premières réactions du cycle CNO est violente Effet de « souffle » Le rayon de l’étoile croit fortement CONSTITUTION D’UNE GÉANTE ROUGE

Evolution du soleil en géante rouge 1- le Soleil se contracte sur lui-même et sa température augmentera. La Luminosité du Soleil augmente. 2- La surface du Soleil gonflera à tel point que sa température en surface devrait s’abaisser. La lumière qui s’échappera du Soleil prendra une teinte rougeâtre. 3- Le Soleil aura englouti les planètes Mercure et Venus et approchera de l’orbite de la planète Terre. 4- A la surface de la Terre, les océans se vaporiseront sous l’effet de l’intense chaleur, et ce qui restera des continents sera alors calciné.

Et la suite, lorsque le cycle CNO est fini ? ou comment finit une géante rouge ? Tout va dépendre de la masse de l’étoile grande masse M> 8 fois la masse du soleil faible masse M< 5 fois la masse du soleil

Les super géantes rouges Les grandes masses M>8Msoleil Les super géantes rouges Bételgeuse

Bételgeuse vu par le télescope spatial Hubble Son diamètre est égal à l’orbite de Jupiter autour du soleil

Taille comparée de Bételgeuse et du Soleil (rapport ~ 1:650)

Les réactions de fusion peu à peu Les réactions de fusion stoppent Les noyaux de Fer ne peuvent pas fusionner ! EFFONDREMENT DU CŒUR DE FER EJECTION DE L’ENVELOPPE (séquence en chaîne) EVOLUTION EXPLOSIVE CONSTITUTION D’UNE « SUPERNOVA »

Evolution de la luminosité L’explosion d’une supernovae est très lumineuse néanmoins évènement rare, environ 3 par siècle dans notre galaxie Evolution de la luminosité d’une supernova

Nébuleuse du crabe, reste d’une supernova explosée le 4 Juillet 1054

signalant l’apparition de la supernovae 11ème siècle Texte chinois signalant l’apparition de la supernovae 11ème siècle Fresque Indiens Anasazi 1054 (Chaco Canyon, Nevada USA)

Nébuleuse de l’hélice

Nébuleuse de l’esquimau

CAT EYE (NGC 6543)

Nébuleuse de la Fourmi

Supernovae « galactiques »

Supernovae de 1997

Le noyau central de la supernovae s’effondre Les forces « fondamentales » agissent pour s’opposer à la gravitation

si Mnoyau,SN< 1.4 Msoleil  Constitution d’une naine blanche L’équilibre dynamique est assuré par la pression de dégénérescence qui « s’oppose » à la gravité 1.4 Msoleil = masse de Chandrasekhar

L’étoile (petite) est très lumineuse Sirius B L’étoile (petite) est très lumineuse  NAINE BLANCHE

La naine blanche va peu à peu refroidir. Peu à peu le cœur de la naine blanche se « consume » par d’ultimes réactions  La naine blanche va peu à peu refroidir. Résidu dense de noyau de carbone CONSTITUTION D’UNE NAINE NOIRE Pas encore apparue car l’Univers est trop « jeune » ATTENTION A NE PAS CONFONDRE AVEC LES NAINES BRUNES QUI SONT DES ETOILES RATÉES (plus proches de planètes)

si 1.4 Msoleil < Mnoyau< 3.2 Msoleil  Constitution d’une étoile à neutrons

pulsar

pulsar

Image X Rosat

Tailles comparées soleil, étoile à neutrons et naine blanche

Etoiles étranges

Et si Mnoyau,SN > 3.2 Msoleil  Quelle physique « s’opposant » à la gravitation ? 3.2 Msoleil = masse de Oppenheimer-Volkoff

RIEN… Le noyau est alors continuellement en effondrement gravitationnel  CONSTITUTION D’UN TROU NOIR STELLAIRE

équivalence Energie  Espace La gravitation est prise comme déformation de l’espace équivalence Energie  Espace « TOUT » DEVIENT GÉOMÉTRIQUE

PROBLÈME Comment détecter un astre qui n’émet aucune lumière ?

« apparence » théorique d’un trou noir Simulations numériques

engendre un fort champ magnétique Trou noir en rotation (trou noir de Kerr) engendre un fort champ magnétique  possibilité de jet de particules chargées Jet dans la galaxie M87

Systèmes Binaires X

Systèmes Binaires X

Systèmes Binaires X

Systèmes Binaires X

BON CANDIDAT TROU NOIR STELLAIRE Dans la constellation du Cygne Une forte source X a été observée  BON CANDIDAT TROU NOIR STELLAIRE

Masse et rayon d’un trou noir stellaire

Les faibles masses M<5Msoleil Les géantes rouges

Évolution « Classique » naine blanche géante rouge   supernova Évolution « Classique » GÉANTE ROUGE  SUPERNOVA NAINE BLANCHE

L’explosion classique de Type II est plus étalé dans le temps

 ETUDE SPECTROSCOPIQUE DES ÉTOILES La lumière excite les atomes du gaz circumstellaire  production d’un spectre d’émission caractéristique des atomes

(raies d’absorption des atomes) Ha Hydrogène (raies d’émission) Hélium (raies d’émission) Mercure (raies d’émission) Azote (raies d’émission) Spectre du soleil (raies d’absorption des atomes)

ON CLASSIFIE LES ETOILES SUIVANT LEURS RAIES CARACTERISTIQUES

CLASSE SPECTRALE DES ÉTOILES

L’unité de masse pour les étoiles est la masse solaire mS~ 2 103O kg  Diagramme de « répartition » des étoiles Diagramme Hertzprung-Russell L’unité de masse pour les étoiles est la masse solaire mS~ 2 103O kg  donne la température équilibre thermique et dynamique

THEORIE D’ÉVOLUTION DES ÉTOILES Chemin d’Hayashi