Notre soleil deviendra un cristal solide à mesure qu’il mourra, se joignant à des milliards d’autres

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Une équipe internationale d’astronomes a découvert les premières preuves directes de la théorie selon laquelle les enveloppes d’anciennes étoiles mourantes se solidifient en d’énormes cristaux cosmiques à mesure qu’elles vieillissent. L’étude s’est appuyée sur les données recueillies par la sonde spatiale Gaia de l’ESA, qui est actuellement engagé dans une mission visant à créer une énorme carte tridimensionnelle de la Voie lactée.

Image d’entête : représentation artistique d’une naine blanche en cours de cristallisation (Université de Warwick/ Mark Garlick)

Quand une étoile de masse moyenne comme notre Soleil meurt, elle ne marque pas son trépas avec le spectacle glorieux d’une supernova. A la place, après avoir épuisé son stock d’hydrogène, elle se transformera en une puissante géante rouge et, finalement, à court de combustible nucléaire, elle expulsera ses couches extérieures, ne laissant derrière elle que son noyau. Celui-ci est appelé naine blanche.

Cependant, la mort d’une naine rouge et sa transformation subséquente en naine blanche ne marque pas la fin de son périple évolutif. Au cours de milliards d’années, l’enveloppe stellaire continue de suinter jusqu’à ce que le noyau refroidisse finalement à environ 10 millions de °C. C’est à ce moment-là que le cœur de l’étoile commence à se cristalliser.

Avant la cristallisation, on pense que les atomes sont entassés si étroitement dans le noyau d’une naine blanche que leurs électrons se détachent, laissant un gaz d’électrons conducteur et des noyaux chargés positivement dans une forme fluide.

Lorsque la transition se produit, les atomes à l’intérieur super dense de l’étoile forment une structure ordonnée et se solidifient, de la même façon que l’eau liquide se transforme en glace. Le noyau est ensuite composé d’un intérieur d’oxygène métallique cristallisé, avec un manteau en carbone renforcé.

Le processus de cristallisation ralentirait considérablement le processus de refroidissement, prolongeant théoriquement la vie d’une étoile jusqu’à 2 milliards d’années. Il y a 50 ans, on prévoyait que le début de cette transition s’accompagnerait du dégagement d’une énorme quantité de chaleur latente qui avait été auparavant stockée dans le corps stellaire.

Comme les cycles de vie des naines blanches sont bien compris, les astronomes peuvent s’en servir comme outil pour estimer l’âge des populations d’étoiles proches. Par conséquent, une meilleure connaissance de la façon dont la cristallisation peut empêcher le processus de refroidissement, en faisant paraître les étoiles plus jeunes qu’elles ne le sont réellement, aiderait les astronomes à améliorer la précision de la technique de datation par naine blanche.

À l’aide de données photométriques et parallaxiques recueillies par le satellite Gaia de l’ESA, une équipe d’astronomes dirigée par Pier-Emmanuel Tremblay, du département de physique de l’Université de Warwick (Royaume-Uni), a entrepris de trouver des preuves directes de la cristallisation des naines blanches.

L’équipe a sélectionné 15 000 candidates naines blanches situées à moins de 300 années-lumière de la Terre et elle a analysé leur luminosité et leurs couleurs.

Le Pr Tremblay et son équipe ont découvert une population excédentaire d’étoiles de couleurs et de luminosités spécifiques qui, comparativement aux modèles d’évolution stellaire, coïncidaient avec le moment où la chaleur latente est libérée pendant le début de la cristallisation.

Cette étude (lien plus bas) représente la première preuve directe de la transition des naines blanches d’un état liquide vers un état solide. Selon ses auteurs, la libération d’énergie thermique ne suffirait pas à elle seule à rendre compte de leurs observations. Ils pensent que l’énergie manquante pourrait être libérée sous forme d’énergie gravitationnelle, créée lorsque le carbone est poussé à la surface de l’étoile par la chute d’oxygène qui s’est cristallisé plus tôt dans le processus.

Selon le Pr Tremblay :

Toutes les naines blanches se cristalliseront à un moment donné de leur évolution, bien que celles plus massives passent par le processus plus tôt. Cela signifie que des milliards de naines blanches dans notre galaxie ont déjà achevé le processus et sont essentiellement des sphères de cristal dans le ciel. Le Soleil lui-même deviendra une naine blanche cristalline dans environ 10 milliards d’années.

L’étude publiée dans Nature : Core crystallization and pile-up in the cooling sequence of evolving white dwarfs et présentée sur le site de l’université de Warwick : Thousands of stars turning into crystals.