22.2 : Accumuls d'étoiles

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Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

Expliquer comment les amas d'étoiles nous aident à comprendre les étapes de l'évolution des étoiles
Énumérez les différents types d'amas d'étoiles et décrivez leurs différences en termes de nombre d'étoiles, de structure et d'âge
Expliquer pourquoi la composition chimique des amas globulaires est différente de celle des amas ouverts.

La description précédente de l'évolution des étoiles est basée sur des calculs. Cependant, aucune étoile ne termine sa durée de vie de séquence principale ou son évolution vers une géante rouge assez rapidement pour que nous puissions observer ces changements structurels au fur et à mesure qu'ils se produisent. Heureusement, la nature nous a fourni un moyen indirect de tester nos calculs.

Au lieu d'observer l'évolution d'une seule étoile, nous pouvons regarder un groupe ou un amas d'étoiles. Nous recherchons un groupe d'étoiles très proches les unes des autres dans l'espace, maintenues ensemble par la gravité et se déplaçant souvent autour d'un centre commun. Il est donc raisonnable de supposer que les étoiles individuelles du groupe se sont toutes formées presque au même moment, à partir du même nuage et avec la même composition. Nous nous attendons à ce que ces étoiles ne diffèrent que par leur masse. Et leurs masses déterminent la rapidité avec laquelle ils traversent chaque étape de leur vie.

Comme les étoiles de masse plus élevée évoluent plus rapidement, nous pouvons trouver des amas dans lesquels des étoiles massives ont déjà terminé leur phase d'évolution de séquence principale et sont devenues des géantes rouges, tandis que les étoiles de plus faible masse du même amas sont toujours sur la séquence principale, ou même, si l'amas est très jeune, subissant un pré- contraction gravitationnelle de la séquence principale. Nous pouvons observer de nombreuses étapes de l'évolution des étoiles parmi les membres d'un même amas, et nous pouvons voir si nos modèles peuvent expliquer pourquoi les diagrammes H—R d'amas d'âges différents se présentent ainsi.

Les trois principaux types d'amas découverts par les astronomes sont les amas globulaires, les amas ouverts et les associations d'étoiles. Leurs propriétés sont résumées dans le tableau\(\PageIndex{1}\). Comme nous le verrons dans la section suivante de ce chapitre, les amas globulaires ne contiennent que de très vieilles étoiles, alors que les amas ouverts et les associations contiennent de jeunes étoiles.

Tableau\(\PageIndex{1}\) : Caractéristiques des amas d'étoiles
Caractéristique	Clusters globulaires	Clusters ouverts	Associations
Nombre dans la galaxie	150	Des milliers	Des milliers
Emplacement dans la galaxie	Halo et renflement central	Disque (et bras spiralés)	Bras en spirale
Diamètre (en années-lumière)	50-450	<30	100-500
Mass M Sun	10 ⁴ —10 ⁶	10 ² —10 ³	10 ² —10 ³
Nombre d'étoiles	10 ⁴ —10 ⁶	50-1000	10 ² —10 ⁴
Couleur des étoiles les plus brillantes	rouge	rouge ou bleu	bleu
Luminosité de l'amas (L Sun)	10 ⁴ —10 ⁶	10 ² —10 ⁶	10 ⁴ —10 ⁷
Âges typiques	Des milliards d'années	De quelques centaines de millions d'années à plus d'un milliard d'années dans le cas de clusters exceptionnellement grands	Jusqu'à environ 10 à ⁷ ans

Clusters globulaires

Les amas globulaires ont reçu ce nom parce qu'ils sont des systèmes ronds presque symétriques composés, généralement, de centaines de milliers d'étoiles. L'amas globulaire le plus massif de notre galaxie est l'Oméga Centauri, situé à environ 16 000 années-lumière et contenant plusieurs millions d'étoiles (Figure\(\PageIndex{2}\)). Notez que les étoiles les plus brillantes de cet amas, qui sont des géantes rouges ayant déjà terminé la phase de séquence principale de leur évolution, sont de couleur rouge-orange. Ces étoiles ont des températures de surface typiques d'environ 4 000 K. Comme nous le verrons, les amas globulaires font partie des parties les plus anciennes de notre Voie lactée.

alt — Figurine\(\PageIndex{1}\) Omega Centauri. (a) Situé à environ 16 000 années-lumière, l'Oméga Centauri est l'amas globulaire le plus massif de notre Galaxie. Elle contient plusieurs millions d'étoiles. (b) Cette image, prise avec le télescope spatial Hubble, zoome près du centre d'Omega Centauri. L'image mesure environ 6,3 années-lumière de large. Les étoiles les plus nombreuses de l'image, de couleur jaune-blanc, sont des étoiles de séquence principale similaires à notre Soleil. Les étoiles les plus brillantes sont des géantes rouges qui ont commencé à épuiser leur combustible hydrogène et ont atteint environ 100 fois le diamètre de notre Soleil. Les étoiles bleues ont amorcé la fusion de l'hélium.

À quoi ressemblerait la vie à l'intérieur d'un amas globulaire ? Dans les régions centrales denses, les étoiles seraient environ un million de fois plus rapprochées que dans notre propre quartier. Si la Terre tournait autour de l'une des étoiles intérieures d'un amas globulaire, les étoiles les plus proches se trouveraient à des mois-lumière, et non à des années-lumière. Elles apparaîtraient toujours sous forme de points lumineux, mais elles seraient plus brillantes que toutes les étoiles que nous voyons dans notre propre ciel. La Voie lactée serait probablement difficile à voir à travers la brume brillante de lumière des étoiles produite par l'amas.

Environ 150 amas globulaires sont connus dans notre Galaxie. La plupart d'entre elles se trouvent dans un halo sphérique (ou nuage) entourant le disque plat formé par la majorité des étoiles de notre Galaxie. Tous les amas globulaires sont très éloignés du Soleil, et certains se trouvent à une distance de 60 000 années-lumière ou plus du disque principal de la Voie lactée. Les diamètres des amas d'étoiles globulaires varient de 50 années-lumière à plus de 450 années-lumière.

Clusters ouverts

Des clusters ouverts se trouvent dans le disque de la Galaxie. Ils ont des âges variés, certains aussi vieux, voire plus anciens, que notre Soleil. Les plus jeunes amas ouverts sont toujours associés à la matière interstellaire à partir de laquelle ils se sont formés. Les amas ouverts sont plus petits que les amas globulaires, ont généralement un diamètre inférieur à 30 années-lumière et ne contiennent généralement que plusieurs dizaines à plusieurs centaines d'étoiles (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les étoiles en amas ouverts apparaissent généralement bien séparées les unes des autres, même dans les régions centrales, ce qui explique pourquoi on les appelle « ouvertes ». Notre Galaxie contient des milliers d'amas ouverts, mais nous ne pouvons en voir qu'une petite fraction. La poussière interstellaire, qui est également concentrée dans le disque, atténue tellement la lumière des amas les plus éloignés qu'ils sont indétectables.

alt — Boîte à\(\PageIndex{3}\) bijoux pour figurines (NGC 4755). Cet amas ouvert de jeunes étoiles brillantes se trouve à environ 6 400 années-lumière du Soleil. Remarquez le contraste de couleur entre la supergéante jaune vif et les étoiles bleues chaudes de la séquence principale. Le nom vient de la description faite par John Herschel au XIXe siècle comme « un cercueil de pierres précieuses de différentes couleurs ».

Bien que les étoiles individuelles d'un amas ouvert puissent survivre pendant des milliards d'années, elles ne restent généralement ensemble en tant qu'amas que pendant quelques millions d'années, ou tout au plus quelques centaines de millions d'années. Il y a plusieurs raisons à cela. Dans les petits amas ouverts, la vitesse moyenne des étoiles membres de l'amas peut être supérieure à la vitesse d'échappement de l'amas, ¹ et les étoiles « s'évaporent » progressivement de l'amas. La rencontre rapprochée d'étoiles membres peut également augmenter la vitesse de l'un des membres au-delà de la vitesse d'échappement. Tous les quelques centaines de millions d'années environ, l'amas peut rencontrer de près un nuage moléculaire géant, et la force gravitationnelle exercée par le nuage peut déchirer l'amas.

Plusieurs amas ouverts sont visibles à l'œil nu. Les plus célèbres d'entre elles sont les Pléiades (figure\(20.3.5\) de la section 20.3), qui apparaissent sous la forme d'un petit groupe de six étoiles (certaines personnes peuvent en voir même plus de six, et les Pléiades sont parfois appelées les Sept Sœurs). Cette grappe est disposée comme une petite cuillère et est visible dans la constellation du Taureau, le taureau. Une bonne paire de jumelles montre des dizaines d'étoiles dans l'amas et un télescope en révèle des centaines. (Un constructeur automobile, Subaru, tire son nom du terme japonais désignant ce groupe ; vous pouvez voir le groupe d'étoiles sur le logo Subaru.)

Les Hyades sont un autre célèbre cluster ouvert du Taureau. À l'œil nu, il apparaît comme un groupe d'étoiles faibles en forme de V marquant la face du taureau. Les télescopes montrent que Hyades contient en fait plus de 200 étoiles.

Associations stellaires

Une association est un groupe d'étoiles extrêmement jeunes, contenant généralement de 5 à 50 étoiles O et B chaudes et brillantes dispersées dans une région de l'espace d'un diamètre de 100 à 500 années-lumière. À titre d'exemple, la plupart des étoiles de la constellation d'Orion forment l'une des associations stellaires les plus proches. Les associations contiennent également des centaines, voire des milliers d'étoiles de faible masse, mais celles-ci sont beaucoup plus pâles et moins visibles. La présence d'étoiles très chaudes et lumineuses indique que la formation d'étoiles au sein de l'association s'est produite au cours des derniers millions d'années. Comme les étoiles O passent toute leur vie en seulement un million d'années environ, elles n'existeraient pas encore à moins que la formation d'étoiles ne se soit produite récemment. Il n'est donc pas surprenant que des associations se trouvent dans des régions riches en gaz et en poussières nécessaires à la formation de nouvelles étoiles. C'est comme un bâtiment flambant neuf encore entouré de certains des matériaux de construction utilisés pour le construire et dont le paysage montre encore des signes de construction. D'autre part, étant donné que les associations, comme les amas ouverts ordinaires, se situent dans des régions occupées par de la matière interstellaire poussiéreuse, nombre d'entre elles ne nous sont pas visibles.

Concepts clés et résumé

Les amas d'étoiles constituent l'un des meilleurs tests de nos calculs sur ce qui se passe lorsque les étoiles vieillissent. Les étoiles d'un amas donné se sont formées à peu près au même moment et ont la même composition, de sorte qu'elles diffèrent principalement par leur masse et donc par leur stade de vie. Il existe trois types d'amas d'étoiles : globulaires, ouverts et associatifs. Les amas globulaires ont un diamètre de 50 à 450 années-lumière, contiennent des centaines de milliers d'étoiles et sont répartis dans un halo autour de la Galaxie. Les amas ouverts contiennent généralement des centaines d'étoiles, sont situés dans le plan de la Galaxie et ont un diamètre inférieur à 30 années-lumière. Les associations se trouvent dans des régions de gaz et de poussière et contiennent des étoiles extrêmement jeunes.

Notes

¹ La vitesse d'échappement est la vitesse nécessaire pour surmonter la gravité d'un objet ou d'un groupe d'objets. Les fusées que nous lançons depuis la Terre, par exemple, doivent se déplacer plus vite que la vitesse de fuite de notre planète pour pouvoir atteindre d'autres mondes.

Lexique

association: groupe lâche de jeunes étoiles dont les types spectraux, les mouvements et les positions dans le ciel indiquent une origine commune

amas globulaire: l'un des quelque 150 grands amas d'étoiles sphériques (chacun contenant des centaines de milliers d'étoiles) qui forment un halo sphérique autour du centre de notre Galaxie

cluster ouvert: un amas d'étoiles relativement lâche, contenant de quelques dizaines à quelques milliers de membres, situé dans les bras spiraux ou le disque de notre Galaxie ; parfois appelé amas galactique