Les données capturées par le vaisseau spatial Gaia de l'ESA ont montré pour la première fois comment les naines blanches, les restes morts d'étoiles comme notre Soleil, se transforment en sphères solides après le refroidissement du gaz chaud à l'intérieur.
Ce processus de solidification ou de cristallisation du matériau à l'intérieur des naines blanches a été prédit il y a 50 ans, mais les astronomes n'ont pas pu observer suffisamment de ces objets pour voir un échantillon qui révèle ce processus.
«Auparavant, nous n'avions que quelques centaines de naines blanches et beaucoup d'entre elles étaient regroupées en grappes à peu près du même âge», explique Pierre-Emmanuel Tremblay de l'Université de Warwick, Royaume-Uni, auteur principal de l'article décrivant les résultats.
Avec l'aide de Gaia, nous avons obtenu plus d'informations. Beaucoup de données ont été reçues de différents objets avec différentes distances, luminosité et couleur. Ce sont des centaines de milliers de naines blanches dans le disque externe de la Voie lactée, avec des masses et des âges différents.
C'est en estimant avec précision la distance à ces étoiles que Gaia fait une percée, permettant aux astronomes de mesurer leur véritable luminosité avec une précision sans précédent.
(La photo principale montre une naine blanche, un reste mort d'une étoile comme notre Soleil, avec un noyau solide cristallisé.)
Les naines blanches sont les restes d'étoiles de taille moyenne semblables à notre Soleil. Après que ces étoiles aient brûlé tout le combustible nucléaire de leur noyau, elles ont libéré leurs couches externes, laissant derrière elles un noyau chaud qui commence à se refroidir.
Ces restes superdenses émettent toujours un rayonnement thermique lorsqu'ils se refroidissent et sont visibles par les astronomes comme des objets plutôt faibles. On estime que jusqu'à 97% des étoiles de la Voie lactée finiront par se transformer en naines blanches, tandis que les plus massives se révéleront être des étoiles à neutrons ou des trous noirs.
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Le refroidissement des naines blanches prend des milliards d'années. Une fois qu'ils atteignent une certaine température, la matière initialement chaude à l'intérieur du noyau de l'étoile commence à cristalliser, devenant solide. Le processus est similaire à la transformation de l'eau liquide en glace sur Terre à des températures nulles, sauf que la température à laquelle cette solidification se produit dans les naines blanches est extrêmement élevée -
environ 10 millions de degrés Celsius.
Dans cette étude, les astronomes ont analysé plus de 15 000 restes stellaires candidats à 300 années-lumière de la Terre. Gaia a pu voir ces naines blanches cristallisées comme un groupe distinct.
«Nous avons vu un grand nombre de naines blanches de différentes couleurs et nuances qui n'étaient pas liées les unes aux autres au niveau de leur évolution», précise Pierre-Emmanuel.
«Nous avons réalisé qu'il ne s'agissait pas d'une population distincte de naines blanches, mais de l'effet de refroidissement et de cristallisation prédit il y a 50 ans."
La chaleur dégagée lors de ce processus de cristallisation, qui dure plusieurs milliards d'années, semble ralentir l'évolution des naines blanches.
«Les naines blanches ont traditionnellement été utilisées pour la datation de l'âge des populations stellaires telles que les amas d'étoiles», explique Pierre-Emmanuel.
«Nous devons maintenant développer de meilleurs modèles de cristallisation pour obtenir des estimations plus précises de l'âge de ces systèmes."
Toutes les naines blanches ne se cristallisent pas au même rythme. Des étoiles plus massives refroidissent plus rapidement et atteignent des températures auxquelles la cristallisation se produit dans environ un milliard d'années. Les naines blanches de masse inférieure, plus proches de l'étape finale attendue du Soleil, refroidissent plus lentement, prenant jusqu'à six milliards d'années pour se transformer en sphères solides mortes.
Le soleil a encore environ cinq milliards d'années avant de devenir une naine blanche, et les astronomes estiment qu'il faudra encore cinq milliards d'années après cela pour finalement se refroidir en une sphère cristalline.
«Ce résultat souligne la polyvalence de Gaia et ses nombreuses applications», déclare Timo Prusti, scientifique du projet Gaia à l'ESA.
