22.E : Les étoiles de l'adolescence à la vieillesse (exercice)

Pour une exploration plus approfondie

Des articles

Balick, B. et Frank, A. « La mort extraordinaire d'étoiles ordinaires ». Scientific American (juillet 2004) : 50. À propos des nébuleuses planétaires, des derniers soupirs d'étoiles de faible masse et de l'avenir de notre propre Soleil.

Djorgovsky, G. « La vie dynamique des amas globulaires ». Sky & Telescope (octobre 1998) : 38. Évolution des amas et étoiles bleues.

Frank, A. « Les géants de l'univers en colère ». Astronomie (octobre 1997) : 32. Sur des variables bleues lumineuses comme Eta Carinae.

Garlick, M. « Le destin de la Terre ». Sky & Telescope (octobre 2002) : 30. Que se passera-t-il lorsque notre Soleil deviendra une géante rouge ?

Harris, W. et Webb, J. « La vie à l'intérieur d'un amas globulaire ». Astronomie (juillet 2014) : 18. À quoi ressemblerait le ciel nocturne là-bas ?

Iben, I. et Tutokov, A. « La vie des étoiles : de la naissance à la mort et au-delà ». Sky & Telescope (décembre 1997) : 36.

Kaler, J. « Les plus grandes étoiles de la galaxie ». Astronomie (octobre 1990) : 30. Sur les supergéantes rouges.

Kalirai, J. « Un nouvel éclairage sur le destin de notre soleil ». Astronomie (février 2014) : 44. Qu'arrivera-t-il à des étoiles comme notre Soleil entre la séquence principale et les stades de la naine blanche ?

Kwok, S. « Quelle est la forme réelle de la nébuleuse annulaire ? » Sky & Telescope (juillet 2000) : 33. Sur l'observation des nébuleuses planétaires sous différents angles.

Kwok, S. « Métamorphose stellaire ». Sky & Telescope (octobre 1998) : 30. Comment se forment les nébuleuses planétaires.

Stahler, S. « La vie intérieure des amas d'étoiles ». Scientific American (mars 2013) : 44—49. Comment toutes les étoiles naissent en amas, mais les différents amas évoluent différemment.

Subinsky, R. « Tout sur 47 Tucanae. » Astronomie (septembre 2014) : 66. Ce que nous savons de cet amas globulaire et comment l'observer.

Sites Web

Page de la BBC sur les étoiles géantes : www.bbc.co.uk/science/space/u... ts/giant_stars. Comprend des informations de base et des liens vers de brefs extraits vidéo.

Article de l'Encyclopedia Brittanica sur les amas d'étoiles : http://www.britannica.com/topic/star-cluster. Écrit par l'astronome Helen Sawyer Hogg-Priestley.

Galerie d'images Hubble : Nébuleuses planétaires : http://hubblesite.org/gallery/album/nebula/planetary/. Cliquez sur chaque image pour accéder à une page contenant plus d'informations. (Voir également une galerie similaire aux National Optical Astronomy Observatories : www.noao.edu/image_gallery/p... y_nebulae.html).

Galerie d'images Hubble : Star Clusters : http://hubblesite.org/gallery/album/... /star_cluster/. Chaque image est accompagnée d'une légende explicative lorsque vous cliquez dessus. (Voir également une galerie similaire de l'European Southern Observatory à l'adresse : www.eso.org/public/images/ar... /starclusters/).

Mesurer l'âge d'un amas d'étoiles : www.e-education.psu.edu/astr... ent/l7_p6.html. De Penn State.

Vidéos

Cycle de vie des étoiles : https://www.youtube.com/watch?v=PM9CQDlQI0A. Bref résumé de l'évolution des étoiles réalisé par l'Institut de physique de Grande-Bretagne, avec l'astronome Tim O'Brien (4:58).

Missions Découvrez la superstar Eta Carinae de manière inédite : https://www.youtube.com/watch?v=0rJQi6oaZf0. Vidéo Goddard de la NASA sur les observations faites en 2014 et sur ce que nous savons de la paire d'étoiles dans ce système complexe (4h00).

Clusters d'étoiles : amas ouverts et globulaires : https://www.youtube.com/watch?v=rGPRLxrYbYA. Trois courtes vidéos Hubblecast de 2007 à 2008 sur des découvertes impliquant des amas d'étoiles (12:24).

Visite de la nébuleuse planétaire NGC 5189 : https://www.youtube.com/watch?v=1D2cwiZld0o. Bref épisode de Hubblecast avec Joe Liske, expliquant les nébuleuses planétaires en général et un exemple en particulier (5:22).

Activités de groupe collaboratives

1. Demandez à votre groupe d'examiner la liste des étoiles les plus brillantes du ciel à l'annexe J. Quelle fraction d'entre elles a dépassé la phase d'évolution de la séquence principale ? Le texte indique que les étoiles passent 90 % de leur durée de vie dans la phase de séquence principale de l'évolution. Cela suggère que si nous avons un échantillon juste (ou représentatif) d'étoiles, 90 % d'entre elles devraient être des étoiles de la séquence principale. Votre groupe devrait réfléchir aux raisons pour lesquelles 90 % des étoiles les plus brillantes ne se trouvent pas dans la phase de séquence principale de l'évolution.
2. La lecture d'un diagramme H—R peut s'avérer délicate. Supposons que votre groupe reçoive le diagramme H—R d'un amas d'étoiles. Les étoiles situées au-dessus et à droite de la séquence principale peuvent être soit des géantes rouges qui se sont éloignées de la séquence principale, soit de très jeunes étoiles qui évoluent toujours vers la séquence principale. Discutez de la façon dont vous décideriez lesquels ils sont
3. Dans le chapitre sur la vie dans l'univers, nous discutons de certains des efforts actuellement en cours pour rechercher des signaux radio provenant d'éventuelles civilisations intelligentes autour d'autres étoiles. Nos ressources actuelles pour effectuer de telles recherches sont très limitées et il y a de nombreuses étoiles dans notre Galaxie. Votre groupe est un comité créé par l'Union astronomique internationale pour établir une liste des meilleures étoiles possibles avec lesquelles une telle recherche devrait commencer. Dressez une liste de critères pour choisir les étoiles sur la liste et expliquez les raisons de chaque entrée (en gardant à l'esprit certaines des idées sur l'histoire de la vie des étoiles et les échelles de temps dont nous discutons dans le présent chapitre).
4. Demandez à votre groupe de dresser une liste des raisons pour lesquelles une étoile qui s'est formée au tout début de l'univers (peu après le Big Bang) ne pourrait pas avoir de planète avec des étudiants en astronomie lisant des manuels d'astronomie (même si l'étoile a la même masse que celle de notre Soleil).
5. Puisque nous sommes presque certains que lorsque le Soleil deviendra une étoile géante, toute vie sur Terre sera anéantie, votre groupe pense-t-il que nous devrions commencer à faire des préparatifs de quelque nature que ce soit ? Supposons qu'un dirigeant politique qui s'est endormi pendant une grande partie de son cours d'astronomie soit soudainement informé de ce problème par un important donateur et désigne votre groupe de travail pour faire des suggestions sur la façon de se préparer à la fin de la Terre. Dressez une liste d'arguments expliquant pourquoi un tel groupe de travail n'est pas vraiment nécessaire.
6. Utilisez des cartes stellaires pour identifier au moins un amas ouvert visible à cette période de l'année. (Ces cartes peuvent être consultées chaque mois dans les magazines Sky & Telescope et Astronomy et sur leurs sites Web ; voir l'annexe B.) Les Pléiades et les Hyades sont de bons sujets d'automne, et Praesepe est idéale pour les admirer au printemps. Sortez et observez ces groupes à l'aide de jumelles et décrivez ce que vous voyez.
7. De nombreux astronomes pensent que les nébuleuses planétaires font partie des objets les plus attrayants et les plus intéressants que l'on puisse voir dans la Galaxie. Dans ce chapitre, nous n'avons pu vous montrer que quelques exemples de photos de ces objets prises avec le Hubble ou de grands télescopes au sol. Demandez aux membres de votre groupe de rechercher davantage d'images de nébuleuses planétaires en ligne et de dresser une liste des « dix meilleures » de vos images préférées (n'incluez pas plus de trois images présentées dans ce chapitre). Faites un rapport (avec des images) pour toute la classe et expliquez pourquoi vous avez trouvé votre top 5 particulièrement intéressant. (Vous pouvez consulter la figure de\(22.4.4\) la Section 22.4 au cours du processus.)

Questions de révision

1. Comparez les étapes suivantes de la vie d'un être humain et d'une étoile : prénatale, naissance, adolescence/âge adulte, âge mûr, vieillesse et décès. Que fait une étoile ayant la masse de notre Soleil à chacune de ces étapes ?
2. Quel est le premier événement qui arrive à une étoile ayant à peu près la masse de notre Soleil qui épuise l'hydrogène de son cœur et arrête la production d'énergie par la fusion nucléaire de l'hydrogène en hélium ? Décrivez la séquence des événements que subit l'étoile.
3. Les astronomes découvrent que 90 % des étoiles observées dans le ciel se trouvent sur la séquence principale d'un diagramme H—R ; pourquoi est-ce logique ? Pourquoi y a-t-il beaucoup moins d'étoiles dans la région des géantes et des supergéantes ?
4. Décrivez l'évolution d'une étoile dont la masse est similaire à celle du Soleil, depuis le stade de protoétoile jusqu'au moment où elle devient une géante rouge. Donnez la description en mots, puis esquissez l'évolution sur un diagramme H—R.
5. Décrivez l'évolution d'une étoile dont la masse est similaire à celle du Soleil, depuis qu'elle est devenue une géante rouge jusqu'à ce qu'elle épuise le dernier type de combustible que son cœur est capable de fusionner.
6. Une étoile est souvent décrite comme « en mouvement » sur un diagramme H—R ; pourquoi cette description est-elle utilisée et que se passe-t-il réellement avec l'étoile ?
7. Sur quel bord de la bande de la séquence principale d'un diagramme H—R se trouverait la séquence principale à âge zéro ?
8. Comment les étoiles se « déplacent-elles » généralement dans la bande de la séquence principale sur un diagramme H—R ? Pourquoi ?
9. Certaines étoiles, comme Bételgeuse, ont une température de surface inférieure à celle du Soleil tout en étant plus lumineuses. Comment ces étoiles produisent-elles autant d'énergie que le Soleil ?
10. La gravité essaie toujours de réduire la masse d'une étoile vers son centre. Quel mécanisme peut s'opposer à cet effondrement gravitationnel d'une étoile ? À quelles étapes de la vie d'une star existerait-il un « équilibre » entre elles ?
11. Pourquoi les amas d'étoiles sont-ils si utiles aux astronomes qui souhaitent étudier l'évolution des étoiles ?
12. Le Soleil aurait-il plus probablement fait partie d'un amas globulaire ou d'un amas ouvert dans le passé ?
13. Supposons qu'on vous ait remis deux diagrammes H—R pour deux groupes différents : le diagramme A montre la majorité de ses étoiles tracées dans la partie supérieure gauche de la séquence principale, le reste des étoiles étant hors de la séquence principale ; et le diagramme B montre la majorité de ses étoiles tracées dans la partie inférieure droite de la séquence principale avec le le reste des étoiles de la séquence principale. Quel diagramme correspondrait à l'ancien cluster ? Pourquoi ?
14. En vous référant aux diagrammes H—R de l'exercice précédent, quel diagramme serait le plus susceptible d'être le diagramme H—R pour une association ?
15. Le processus nucléaire de fusion de l'hélium en carbone est souvent appelé « procédé triple alpha ». Pourquoi est-il appelé ainsi et pourquoi doit-il se produire à une température beaucoup plus élevée que le processus nucléaire de fusion de l'hydrogène en hélium ?
16. Les photos de différentes nébuleuses planétaires montrent des formes diverses, mais les astronomes pensent que la majorité des nébuleuses planétaires ont la même forme de base. Comment expliquer ce paradoxe ?
17. Décrivez les deux mécanismes de « recyclage » associés aux étoiles (l'un pendant la vie de chaque étoile et l'autre reliant des générations d'étoiles).
18. Dans lequel de ces groupes d'étoiles trouveriez-vous le moins d'éléments lourds pour les étoiles qui s'y trouvent : amas ouverts, amas globulaires ou associations ?
19. Expliquez comment un diagramme H—R des étoiles d'un amas peut être utilisé pour déterminer l'âge de l'amas.
20. D'où viennent les atomes de carbone du tronc d'un arbre de votre campus universitaire ? D'où vient à l'origine le néon des légendaires « néons de Broadway » ?
21. Qu'est-ce qu'une nébuleuse planétaire ? En aurons-nous un autour du soleil ?

Questions de réflexion

1. Le Soleil est-il sur la séquence principale de l'âge zéro ? Expliquez votre réponse.
2. En quoi les nébuleuses planétaires sont-elles comparables à une ampoule fluorescente dans votre classe ?
3. Quelles planètes de notre système solaire ont des orbites inférieures au rayon photosphérique de Bételgeuse indiqué dans le tableau\(22.1.2\) de la section 22.1 ?
4. Vous attendriez-vous à trouver une planète semblable à la Terre (avec une surface solide) autour d'une étoile de très faible masse qui s'est formée au tout début de la vie d'un amas globulaire ? Expliquez.
5. Dans les diagrammes H—R de certains jeunes amas, les étoiles de très faible et de très haute luminosité se trouvent à droite de la séquence principale, tandis que celles de luminosité intermédiaire se trouvent sur la séquence principale. Pouvez-vous donner une explication à cela ? Esquissez un diagramme H—R pour un tel groupe.
6. Si le Soleil était membre de l'amas NGC 2264, serait-il déjà sur la séquence principale ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
7. Si toutes les étoiles d'un amas ont à peu près le même âge, pourquoi les amas sont-ils utiles pour étudier les effets de l'évolution (différentes étapes de la vie des étoiles) ?
8. Supposons qu'un amas d'étoiles se trouve à une telle distance qu'il apparaisse comme un point lumineux non résolu à travers le télescope. Quelle serait la couleur générale du point selon vous s'il s'agissait de l'image de l'amas immédiatement après sa formation ? En quoi la couleur serait-elle différente après ¹⁰ ans ? Pourquoi ?
9. Supposons qu'une astronome connue pour ses blagues vous dise qu'elle a trouvé une étoile de la séquence principale de type O dans notre galaxie de la Voie lactée qui ne contient aucun élément plus lourd que l'hélium. La croiriez-vous ? Pourquoi ?
10. Les étoiles dont la masse est environ 0,8 fois supérieure à celle du Soleil mettent environ 18 milliards d'années à se transformer en géantes rouges. Comment cela se compare-t-il à l'âge actuel de l'univers ? Vous attendriez-vous à trouver un amas globulaire avec un arrêt de la séquence principale pour les étoiles de 0,8 masse solaire ou moins ? Pourquoi ou pourquoi pas ?
11. Les automobiles sont souvent utilisées comme analogie pour aider les gens à mieux comprendre comment les étoiles plus massives ont une durée de vie de séquence principale beaucoup plus courte que les étoiles moins massives. Pouvez-vous expliquer une telle analogie en utilisant des automobiles ?

Se débrouiller par vous-même

1. Le texte indique qu'une étoile ne change pas beaucoup de masse au cours de sa durée de vie de séquence principale. Lorsqu'elle se trouve sur la séquence principale, une étoile convertit environ 10 % de l'hydrogène initialement présent en hélium (rappelez-vous que seul le cœur de l'étoile est suffisamment chaud pour la fusion). Consultez les chapitres précédents pour savoir quel pourcentage de la masse d'hydrogène impliquée dans la fusion est perdu en raison de sa conversion en énergie. Dans quelle mesure la masse de l'étoile entière change-t-elle à la suite de la fusion ? Avons-nous raison de dire que la masse d'une étoile ne change pas de manière significative lorsqu'elle se trouve sur la séquence principale ?
2. Le texte explique que les étoiles massives ont une durée de vie plus courte que les étoiles de faible masse. Même si les étoiles massives ont plus de combustible à brûler, elles le consomment plus rapidement que les étoiles de faible masse. Vous pouvez vérifier et voir si cette affirmation est vraie. La durée de vie d'une étoile est directement proportionnelle à la quantité de masse (combustible) qu'elle contient et inversement proportionnelle à la vitesse à laquelle elle consomme ce combustible (c'est-à-dire à sa luminosité). Puisque la durée de vie du Soleil est d'environ ¹⁰ à 10 ans, nous avons la relation suivante :\[T=10^{10} \frac{M}{L} \text{ y} \] où\(T\) est la durée de vie d'une étoile de la séquence principale, sa masse mesurée en termes de masse du Soleil et\(L\) sa luminosité mesurée en termes de luminosité du Soleil.\(M\)
   1. Expliquez avec des mots pourquoi cette équation fonctionne.
   2. Utilisez les données du tableau de\(18.4.2\) la section 18.4 pour calculer l'âge des étoiles de la séquence principale répertoriées.
   3. Les étoiles de faible masse ont-elles une durée de vie de séquence principale plus longue ?
   4. Obtenez-vous les mêmes réponses que celles du tableau de\(22.1.1\) la section 22.1 ?
3. Vous pouvez utiliser l'équation\(\PageIndex{1}\) de l'exercice précédent pour estimer l'âge approximatif des groupes de la Figure\(22.3.3\), de la Figure\(22.3.5\) et de la Figure\(22.3.6\), le tout dans la Section 22.3. Utilisez les informations des figures pour déterminer la luminosité de l'étoile la plus massive encore présente dans la séquence principale. Utilisez maintenant les données du tableau\(18.4.2\) de la section 18.4 pour estimer la masse de cette étoile. Calculez ensuite l'âge du cluster. Cette méthode est similaire à celle utilisée par les astronomes pour obtenir l'âge des amas, sauf qu'ils utilisent des données réelles et des calculs de modèles plutôt que de simplement faire des estimations à partir d'un dessin. Comment votre âge se compare-t-il à celui indiqué dans le texte ?
4. Vous pouvez estimer l'âge de la nébuleuse planétaire dans l'image (c) de la figure de\(22.4.3\) la section 22.4. Le diamètre de la nébuleuse est 600 fois le diamètre de notre propre système solaire, soit environ 0,8 année-lumière. Le gaz s'éloigne de l'étoile à une vitesse d'environ 25 mi/s. En considérant que distance = vitesse × temps, calculez depuis combien de temps le gaz a quitté l'étoile si sa vitesse est restée constante pendant tout le temps. Assurez-vous d'utiliser des unités de temps, de vitesse et de distance cohérentes.
5. Si l'étoile A a une température\(T\) centrale et que l'étoile B a une température centrale\(3T\), comment le taux de fusion de l'étoile A se compare-t-il au taux de fusion de l'étoile B ?