• Judith Biernaux

Bételgeuse, Bételgeuse, Bételgeuse...

La géante Bételgeuse a récemment fait parler d'elle : sa brillance a varié de façon surprenante...

L'étoile Bételgeuse est bien connue des astronomes amateurs : avec son rayon mille fois plus grand que celui de notre Soleil et sa masse douze fois plus importante, c'est une supergéante, ainsi que l'un des objets les plus brillants du ciel de nuit. Si elle était posée au centre du système solaire, elle engloberait toutes les planètes jusqu'à Jupiter. Cette taille colossale et cette brillance en font l'une des rares étoiles à pouvoir être résolues, c'est-à-dire qu'il est possible d'imager sa surface, alors que la plupart des autres étoiles apparaissent comme un petit point, comme par exemple dans l'image ci-dessus du télescope ALMA. Bételgeuse est posée sur l'épaule de la constellation d'Orion, qui représente un chasseur muni d'un arc. Cette constellation est visible pendant l'hiver, jusqu'en mars où l'on peut l'observer vers l'ouest avant qu'elle ne se couche en début de nuit.

Position de Bételgeuse au sein de la constellation Orion. Image : Simon Jacquelin

En octobre 2019, sa luminosité a commencé à diminuer. Jusque là, rien d'anormal : la très grande majorité des étoiles sont variables, comme expliqué dans la story sur l'étoile de Tabby. La production d'énergie en leur coeur et le transport de cette énergie vers sa surface présentent souvent des fluctuations avec des périodes pouvant aller de plusieurs jours à plusieurs mois. En temps normal, Bételgeuse peut voir sa luminosité varier jusqu'à 25%. Sauf que là, la variation de luminosité est anormalement importante : entre octobre 2019 et février 2020, l'éclat de Bételgeuse a diminué de presque 70%. Cette quasi-extinction de l'étoile a alerté beaucoup d'observateurs.


Entre-temps, l'éclat de Bételgeuse a ré-augmenté de presque 50% à la fin mars. Qu'est-ce qui peut expliquer cette variabilité ? Quel phénomène se cache derrière cet évènement inhabituel ? Parmi toutes les hypothèses avancées, voici les trois plus fréquentes.



Le début de la fin ?


Plus les étoiles sont grosses, plus la fin de leur vie est proche. La vie d'une étoile est rythmée par des réactions de fusion nucléaires, qui produisent la grande quantité d'énergie responsable de leur brillance. Au départ formée d'un gros nuage d'hydrogène en effondrement gravitationnel sur lui-même, une jeune étoile démarre sa carrière lorsqu'elle devient assez dense pour que les atomes d'hydrogène se cognent les uns les autres à grande vitesse, s'assemblent, et forment des matériaux plus lourds, comme de l'hélium par exemple. Cette première étape est appelée la séquence principale. Notre Soleil, par exemple, est en train de vivre sa séquence principale depuis environ 4.5 milliards d'années.


Lorsque tout l'hydrogène est brûlé, la source d'énergie de l'étoile se tarit, et c'est la fin de sa séquence principale. Son coeur s'effondre, mais son enveloppe gonfle. Ainsi, visuellement, sa taille augmente, et elle devient une géante rouge (ou supergéante, comme Bételgeuse). En se contractant, le coeur de l'étoile voit sa température augmenter, jusqu'à ce qu'elle y soit suffisante pour qu'un nouveau cycle de fusion nucléaire puisse démarrer, en ne brûlant plus cette fois l'hydrogène mais l'hélium, produit du cycle précédent. Lorsqu'il n'y a plus d'hélium, le cycle recommence : expansion de l'enveloppe, effondrement du coeur, augmentation de sa température et si elle atteint le seuil de fusion de l'élément chimique produit au cycle précédent, on recommence. L'étoile peut ainsi passer par des phases de fusion du carbone, puis de l'oxygène... jusqu'à la fusion du silicium, qui produit du fer.


La gigantesque nébuleuse du Crabe, résidus de matière expulsée lors d'une supernova vers l'an 1054. Cette image est composée de plusieurs prises de vue réalisées en 1999 et 2000. Image : NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University) — HubbleSite

Là, c'est le drame : la fusion nucléaire du fer consomme plus d'énergie qu'elle n'en produit. Sans énergie, impossible de maintenir l'étoile dans un nouvel équilibre, plus rien pour contrer l'effondrement gravitationnel, c'est la fin de sa vie. Comment se passe cette étape finale ? Le coeur riche en fer se contracte, mais comme la fusion nucléaire ne peut pas démarrer, cette contraction ne peut être arrêté. La luminosité de l'étoile peut alors fortement diminuer, comme observé avec Bételgeuse, c'est du moins une hypothèse courante. En son sein, les particules subatomiques perdent complètement les pédales : leurs forces de cohésion, qui d'habitude sont attractives, deviennent soudainement répulsives, et la matière en périphérie du coeur est rejetée avec force et onde de choc vers l'extérieur. Cette explosion spectaculaire est appelée supernova, et est habituellement très lumineuse et très énergétique.


La quasi-extinction de Bételgeuse annonce-t-elle une supernova ? Aujourd'hui, au vu de la réaugmentation de sa brillance, cet hypothèse peut être écartée. Le problème avec les supergéantes rouges, c'est qu'il est très difficile de savoir à quel stade de la fusion nucléaire en sont leurs coeurs, bien cachés sous la vaste enveloppe. Il est presque certain que Bételgeuse finira en supernova, mais en prédire la date est pratiquement impossible. À l'heure actuelle, très peu de supernovae ont été observées et encore moins ont été suivies de près au niveau de leur brillance. Or, il est impossible sans observation de confirmer le comportement de la luminosité d'une étoile juste avant sa mort. Si Bételgeuse nous gratifie de ce spectacle, elle pourrait devenir aussi brillante que la pleine lune et rester visible pendant plusieurs jours, même en pleine journée.... mais peut-être pas avant quelques dizaines de milliers d'années.


Des gargouillis d'étoile ?

Des cellules de convection à la surface du Soleil. Image : NSO/NASA/NSF

Une autre hypothèse avancée est celle d'une cellule de convection. La convection, c'est le phénomène observé lorsqu'un liquide est chauffé, comme une casserole d'eau sur le feu, et que sa surface commence à remuer, à "gargouiller" : du liquide plus chaud, donc plus dilaté, remonte vers la surface, où il se refroidit et retombe. Ce phénomène est également possible dans un gaz chauffé... comme au sein d'une étoile. Une bulle de gaz un peu plus chaude que son environnement peut flotter jusqu'à la surface de l'étoile, refroidir et retomber vers le coeur. Cette bulle est alors appelée une cellule de convection. Les cellules de convection à la surface du Soleil, récemment observées à très haute résolution, peuvent atteindre des "diamètres" de 8000 km. Celles de Bételgeuse sont probablement encore plus gigantesques. L'une d'elle, particulièrement étendue, aurait pu s'échapper du coeur de l'étoile géante, se refroidir, et cette portion plus froide de la surface de l'étoile aurait temporairement fait baisser sa luminosité. Globalement, plus une étoile est froide, moins elle est lumineuse.


Il existe d'autres moyens d'estimer la température d'une étoile, notamment en étudiant son spectre, soit les différentes fréquences qui composent sa lumière. En la comparant à d'autres spectres d'étoiles dont on connaît la température, on a pu déterminer que non, Bételgeuse n'avait pas spécialement refroidi. L'hypothèse de la convection est donc à écarter également.



Un nuage passe...?

Troisième hypothèse : quelque chose est passé entre nous et Bételgeuse, qui aurait dissimulé, absorbé une partie de sa luminosité. Quelque chose comme... un nuage de poussière. Justement, il est plutôt commun pour les supergéantes rouges d'éjecter des panaches de matière vers l'extérieur, qui peuvent alors se condenser en poussière au voisinage de l'étoile. Ce nuage de poussière d'étoile est alors exposé à la lumière de l'étoile, en absorbe une partie, et la ré-émet notamment sous forme d'infra-rouges. Si d'aventure ce nuage se trouvait entre l'étoile et la Terre, sur notre ligne de visée, on observerait une diminution de la luminosité. Cette hypothèse semble jusqu'ici la plus plausible pour ce qui est arrivé à Bételgeuse. De plus, des images infra-rouge de Bételgeuse datant de fin décembre 2019 témoignent de la présence de poussière autour de la géante. Ces images ont été prises grâce au Very Large Telescope au Chili, par une équipe menée par l'Observatoire de Paris.



Des campagnes d'observations sont encore en cours pour collecter un maximum d'informations sur ce qui arrive à Bételgeuse. Quoiqu'il en soit, les phénomènes qui rythment la vie des supergéantes rouges sont infiniment intéressants. Avec une meilleure compréhension des multiples causes possibles d'une fluctuation de brillance, les comportements de fin de vie d'une étoile pourront également être mieux cernés. En réalité, de manière plus ou moins avouée, la plupart des astronomes espèrent que la fin de vie de Bételgeuse pourra bientôt être observée, car observer une supernova d'aussi près serait un évènement inédit et riche en informations. Peut-être faudra-t-il encore patienter un an, un siècle, ou un millénaire...


Sources


Davide Castelvecchi, Mysterious faded star Betelgeuse has started to brighten again, 6 Fév. 2020, doi: 10.1038/d41586-020-00561-z .


Alain Jorissen, Pourquoi l’éclat de l’étoile Bételgeuse change-t-il ? The Conversation, 15 mars 2020.


Communiqué de presse de l'ESO (Observatoire Européen Austral), Les télescopes de l’ESO scrutent la baisse de luminosité de surface de l’étoile Bételgeuse, 14 février 2020


Emily M. Levesque, Philip Massey, Betelgeuse Just Isn't That Cool: Effective Temperature Alone Cannot Explain the Recent Dimming of Betelgeuse, 24 Fév 2020, The Astrophysical Journal Letters, Volume 891, Issue 2, id.L37, doi:10.3847/2041-8213/ab7935



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