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Au bestiaire des astronomes : les « naines blanches »...

Christian Magnan Collège de France, Paris Université de Montpellier II

Une étoile tient en équilibre parce que la pression gazeuse résultant de la chaleur produite par les réactions nucléaires s'oppose à la contraction que tentent de provoquer les forces de gravitation. Mais lorsque la source de chaleur se tarit par épuisement des réserves de combustible nucléaire, l'étoile va-t-elle pouvoir encore résister à la contraction gravitationnelle ?

Voici le premier mécanisme physique que la matière va faire jouer pour contrecarrer la gravité.

L'effet de la contraction est de rapprocher les atomes les uns des autres. De ce fait, alors qu'à plus faible densité et plus faible pression un électron est assigné à tel ou tel atome ou à tel ou tel noyau dans la situation présente les électrons périphériques des atomes vont se mélanger les uns aux autres pour constituer une sorte de « mer » où ils perdent leur individualité.

Il se trouve que dans ces conditions la structure du gaz d'électrons se décrit en termes quantiques. Notamment une règle indique que lorsqu'on réduit la distance entre deux particules intervient une énergie nouvelle qui n'existait pas en physique classique, la règle précisant que quand on diminue la distance cette énergie augmente ¹. Incidemment, dans le contexte présent, il sera commode, au lieu de parler d'énergie, d'utiliser le terme équivalent de pression - la pression, nous l'avons vu, traduisant une énergie d'agitation.

Nous dirons donc que lorsqu'on essaye de comprimer les électrons dans un espace de plus en plus réduit il se manifeste une pression électronique d'origine quantique. Or le calcul montre que dans certaines conditions cette pression est capable de s'opposer avec succès à la pression résultant du poids des couches superposées de l'étoile.

C'est précisément un équilibre de cet ordre qui est atteint dans les objets que l'on appelle « naines blanches », étoiles extrêmement condensées, donc de petite taille et dont la masse avoisine la masse solaire.

Cependant, pour que la naine blanche résiste à l'effondrement sur elle-même, une condition doit être réalisée : que la masse de l'étoile ne dépasse une limite connue sous le nom de limite de Chandrasekhar et égale à environ 1,4 masse solaire. Le sort d'un tel astre n'est d'ailleurs pas très spectaculaire : après avoir épuisé toutes ses ressources d'énergie, une telle étoile finira par « mourir » en ne laissant comme souvenir que des sortes de cendres (ce ne sont que des images).

Avant de poursuivre en évoquant le sort des étoiles dont la masse dépasse la limite fatidique de Chandrasekhar, le lecteur pourra calculer lui-même l'ordre de grandeur de la masse et de la taille d'une naine blanche en s'aidant d'un encadré.

À suivre

1.   L'énergie d'origine quantique associée à la distance d pour une particule de masse m s'exprime sous la forme  ² / ( 2 m d ² ) ,    étant la constante de Planck divisée par 2.
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