18.1 : Mesure des masses stellaires
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Objectifs d'apprentissage
À la fin de cette section, vous serez en mesure de :
- Expliquez pourquoi les étoiles visibles à l'œil nu ne sont pas typiques
- Décrire la distribution des masses stellaires situées à proximité du Soleil
Avant de pouvoir réaliser notre propre enquête, nous devons nous mettre d'accord sur une unité de distance adaptée aux objets que nous étudions. Les étoiles sont toutes si éloignées que les kilomètres (et même les unités astronomiques) seraient très fastidieux à parcourir. Ainsi, comme indiqué dans Science and the Universe : A Brief Tour, les astronomes utilisent un « bâton de mesure » beaucoup plus grand appelé année-lumière. Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière (le signal le plus rapide que nous connaissons) en un an. Comme la lumière couvre 300 000 kilomètres par seconde et qu'il y a beaucoup de secondes par an, une année-lumière est une très grande quantité : 9,5 billions (9,5 × 1012) kilomètres pour être exact. (N'oubliez pas que l'année-lumière est une unité de distance même si le terme année-lumière y figure.) Si vous conduisiez à la limite de vitesse légale américaine sans vous arrêter pour manger ou vous reposer, vous n'arriverez pas à la fin d'une année-lumière dans l'espace avant qu'environ 12 millions d'années se soient écoulées. Et l'étoile la plus proche se trouve à plus de 4 années-lumière.
Notez que nous n'avons pas encore beaucoup parlé de la façon dont des distances aussi énormes peuvent être mesurées. C'est une question complexe, sur laquelle nous reviendrons dans Celestial Distances. Pour l'instant, supposons que les distances aient été mesurées pour les étoiles situées dans notre environnement cosmique afin de pouvoir procéder à notre recensement.
Petit, c'est beau, ou du moins plus courant
Lorsque nous faisons un recensement de la population aux États-Unis, nous comptons les habitants par quartier. Nous pouvons essayer la même approche pour notre recensement des étoiles et commencer par notre propre voisinage immédiat. Comme nous le verrons, nous sommes confrontés à deux problèmes, tout comme nous le faisons pour un recensement des êtres humains. Tout d'abord, il est difficile d'être sûr d'avoir compté tous les habitants ; deuxièmement, notre quartier local peut ne pas contenir tous les types de personnes possibles.
Le tableau\(\PageIndex{1}\) montre une estimation du nombre d'étoiles de chaque type spectral 1 dans notre propre voisinage local, à moins de 21 années-lumière du Soleil. (La galaxie de la Voie lactée, dans laquelle nous vivons, a un diamètre d'environ 100 000 années-lumière. Ce chiffre s'applique donc vraiment à un quartier très local, qui contient une infime fraction des milliards d'étoiles de la Voie lactée.) Vous pouvez constater qu'il y a beaucoup plus d'étoiles à faible luminosité (et donc de faible masse) que d'étoiles à haute luminosité. Seules trois des étoiles de notre quartier (une de type F et deux de type A) sont nettement plus lumineuses et plus massives que le Soleil. Il s'agit vraiment d'un cas où les petits triomphent sur les grands, du moins en termes de chiffres. Le Soleil est plus massif que la grande majorité des étoiles qui nous entourent.
| Type spectral | Nombre d'étoiles |
|---|---|
| UN | 2 |
| F | 1 |
| G | 7 |
| K | 17 |
| M | 94 |
| Nains blancs | 8 |
| Nains bruns | 33 |
Ce tableau est basé sur des données publiées jusqu'en 2015, et il est probable que d'autres objets fragiles restent à découvrir (voir Figure\(\PageIndex{1}\)). Outre les naines brunes L et T déjà observées dans notre quartier, les astronomes s'attendent à trouver des centaines de naines T supplémentaires. Beaucoup d'entre eux sont probablement encore plus froids que le nain T le plus cool actuellement connu. Si les naines de masse la plus faible sont si difficiles à trouver, c'est parce qu'elles émettent très peu de lumière, dix mille à un million de fois moins de lumière que le Soleil. Ce n'est que récemment que notre technologie a évolué au point que nous pouvons détecter ces objets sombres et froids.
Pour mettre tout cela en perspective, nous remarquons que même si les étoiles comptées dans le tableau sont nos plus proches voisines, vous ne pouvez pas simplement regarder le ciel nocturne et les voir sans télescope ; les étoiles plus pâles que le Soleil ne peuvent pas être vues à l'œil nu à moins qu'elles ne soient très proches. Par exemple, les étoiles dont la luminosité varie entre 1/100 et 1/10 000 de la luminosité du Soleil (Soleil L) sont très courantes, mais une étoile dont la luminosité est de 1/100 L de soleil devrait se trouver dans les 5 années-lumière pour être visible à l'œil nu, et seules trois étoiles (toutes en un système) sont si proches de nous. La plus proche de ces trois étoiles, Proxima Centauri, ne peut toujours pas être vue sans télescope en raison de sa faible luminosité.
Les astronomes travaillent d'arrache-pied ces derniers temps pour terminer le recensement de notre quartier local en trouvant nos voisins les plus faibles. Les récentes découvertes d'étoiles voisines se sont appuyées en grande partie sur les télescopes infrarouges capables de détecter ces nombreuses étoiles froides de faible masse. Il faut s'attendre à ce que le nombre d'étoiles connues situées à moins de 26 années-lumière du Soleil continue d'augmenter à mesure que des études plus nombreuses et de meilleure qualité seront entreprises.
Brillant ne signifie pas nécessairement proche
Si nous limitons notre recensement au quartier local, nous passerons à côté de nombreux types d'étoiles parmi les plus intéressants. Après tout, le quartier dans lequel vous vivez ne contient pas tous les types de personnes, différenciées selon l'âge, l'éducation, le revenu, la race, etc., qui vivent dans tout le pays. Par exemple, quelques personnes vivent jusqu'à l'âge de 100 ans, mais il se peut qu'il n'y ait pas de telle personne à moins de plusieurs kilomètres de chez vous. Afin d'échantillonner l'ensemble de la population humaine, il faudrait étendre votre recensement à une zone beaucoup plus vaste. De même, certains types d'étoiles ne se trouvent tout simplement pas à proximité.
Le fait que seules six des 20 étoiles qui apparaissent les plus brillantes dans notre ciel (Sirius, Vega, Altair, Alpha Centauri, Fomalhaut et Procyon) se trouvent à moins de 26 années-lumière du Soleil (Figure\(\PageIndex{2}\)). Pourquoi manquons-nous la plupart des étoiles les plus brillantes lorsque nous recensons le quartier ?
La réponse, assez intéressante, est que les étoiles qui semblent les plus brillantes ne sont pas celles qui sont les plus proches de nous. Les étoiles les plus brillantes ont cette apparence parce qu'elles émettent une très grande quantité d'énergie, à tel point qu'elles n'ont pas besoin d'être à proximité pour être brillantes. Vous pouvez le confirmer en consultant l'annexe J, qui indique les distances entre les 20 étoiles qui semblent les plus brillantes depuis la Terre. La plus éloignée de ces étoiles se trouve à plus de 1000 années-lumière de nous. En fait, il s'avère que la plupart des étoiles visibles sans télescope se trouvent à des centaines d'années-lumière et sont bien plus lumineuses que le Soleil. Parmi les 9 000 étoiles visibles à l'œil nu, seules 50 sont intrinsèquement plus pâles que le Soleil. Notez également que plusieurs des étoiles de l'annexe J sont de type spectral B, un type totalement absent du tableau\(\PageIndex{1}\).
Les étoiles les plus brillantes répertoriées à l'annexe J émettent plus de 50 000 fois plus d'énergie que le Soleil. Ces étoiles très lumineuses sont absentes du voisinage solaire car elles sont très rares. Aucun d'entre eux ne se trouve dans le petit volume d'espace entourant immédiatement le Soleil, et seul ce petit volume a été étudié pour obtenir les données présentées dans le tableau\(\PageIndex{1}\).
Prenons l'exemple des étoiles les plus lumineuses, c'est-à-dire celles qui sont 100 fois plus lumineuses que le Soleil. Bien que ces étoiles soient rares, elles sont visibles à l'œil nu, même à des centaines, voire des milliers d'années-lumière. Une étoile dont la luminosité est 10 000 fois supérieure à celle du Soleil peut être vue sans télescope à une distance de 5 000 années-lumière. Le volume d'espace compris à une distance de 5 000 années-lumière est toutefois énorme ; ainsi, même si les étoiles très lumineuses sont intrinsèquement rares, nombre d'entre elles sont facilement visibles à l'œil nu.
Le contraste entre ces deux échantillons d'étoiles, ceux qui sont proches de nous et ceux que l'on peut voir à l'œil nu, est un exemple d'effet de sélection. Lorsqu'une population d'objets (des étoiles dans cet exemple) comprend une grande variété de types différents, nous devons faire attention aux conclusions que nous tirons de l'examen d'un sous-groupe en particulier. Nous nous tromperions certainement si nous supposions que les étoiles visibles à l'œil nu sont caractéristiques de la population stellaire générale ; ce sous-groupe est fortement pondéré par rapport aux étoiles les plus lumineuses. Il faut beaucoup plus d'efforts pour rassembler un ensemble de données complet pour les étoiles les plus proches, car la plupart sont si faibles qu'elles ne peuvent être observées qu'à l'aide d'un télescope. Cependant, ce n'est qu'ainsi que les astronomes peuvent connaître les propriétés de la grande majorité des étoiles, qui sont en fait beaucoup plus petites et plus pâles que notre propre Soleil. Dans la section suivante, nous verrons comment nous mesurons certaines de ces propriétés.
Concepts clés et résumé
Pour comprendre les propriétés des étoiles, nous devons réaliser des études de grande envergure. Nous constatons que les étoiles qui paraissent les plus brillantes à nos yeux le sont principalement parce qu'elles sont intrinsèquement très lumineuses, et non parce qu'elles sont les plus proches de nous. La plupart des étoiles les plus proches sont intrinsèquement si faibles qu'elles ne peuvent être observées qu'à l'aide d'un télescope. Les étoiles de faible masse et de faible luminosité sont beaucoup plus communes que les étoiles de masse et de luminosité élevées. La plupart des naines brunes du quartier n'ont pas encore été découvertes.
Notes
1 Les types spectraux des étoiles ont été définis et discutés dans Analyzing Starlight.
Lexique
- effet de sélection
- la sélection de données d'échantillon de manière non aléatoire, de sorte que les données de l'échantillon ne soient pas représentatives de l'ensemble de données complet