Comment naissent les étoiles : du nuage glacé à la fusion

En novembre, en fin de soirée, la constellation d’Orion se lève à l’est. Sous les trois étoiles alignées de sa ceinture, une petite tache floue se laisse voir à l’œil nu : des étoiles y sont en train de se faire, en ce moment même. Voici les étapes de cette naissance, avec les ordres de grandeur qui comptent, et où pointer vos jumelles cet hiver.

Tout commence par un nuage à −263 °C

Contrairement à l’intuition, une étoile ne naît pas du chaud mais du froid. Les ressources pédagogiques de l’Observatoire de Paris décrivent le point de départ : un nuage moléculaire, essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium, dont la température interne n’est que de 10 kelvins environ — soit −263 °C — pour une densité de l’ordre de la centaine de molécules par centimètre cube. Ces nuages s’étendent sur une fraction d’année-lumière à plus de 150, et pèsent de quelques centaines à quelques milliers de fois le Soleil.

Cette matière première n’est pas neuve : l’hydrogène et l’hélium ont été fabriqués dans les trois premières minutes qui ont suivi le Big Bang. Toutes les autres cases du tableau périodique des éléments, elles, sortiront plus tard du cœur des étoiles elles-mêmes.

Un tel nuage tient d’ordinaire en équilibre : sa propre gravité, qui le resserre, est compensée par la pression thermique de ses molécules, qui le gonfle. Pour que l’affaire démarre, il faut rompre cet équilibre — une onde de choc, la traversée d’une zone dense de la Galaxie, la turbulence. Plus un fragment est froid et dense, plus il verse facilement du côté de la gravité. Le nuage sombre Barnard 68, souvent pris en exemple, affiche ainsi 16 kelvins pour deux masses solaires contenues dans 12 500 fois la distance Terre-Soleil.

Des filaments, puis des cœurs

L’effondrement ne ressemble pas à un ballon qui se dégonfle d’un bloc. Le nuage se structure, puis se morcelle. Le télescope spatial Herschel l’a montré avec une netteté nouvelle : d’après le CNES, le milieu interstellaire froid est parcouru de filaments d’un dixième de parsec d’épaisseur, et c’est à l’intérieur des plus denses que se logent les cœurs préstellaires. Conséquence directe : les étoiles ne naissent pas une par une mais par fratries, ce qui explique les amas de jeunes étoiles que l’on voit groupés dans les nébuleuses.

Au centre d’un cœur qui s’effondre, la matière devient opaque à son propre rayonnement infrarouge. La chaleur ne s’échappe plus, la température grimpe, et la pression finit par freiner la chute : une proto-étoile est née. Elle ne pèse alors que 1 % de sa masse finale et va passer les millions d’années suivantes à avaler son enveloppe. Le gaz en rotation qui l’entoure s’aplatit en un disque — celui-là même dont sortiront, le cas échéant, les planètes d’un système comme le nôtre.

Huit millions de degrés, et l’étoile s’allume

La contraction convertit l’énergie gravitationnelle en chaleur, et cela seul suffit à faire briller une proto-étoile. Mais pas longtemps : pour le Soleil, ce mécanisme ne pourrait entretenir le rayonnement que pendant une trentaine de millions d’années, un argument qui a longtemps embarrassé les physiciens du XIXe siècle. Le vrai moteur s’allume plus tard, quand le cœur atteint environ 8 millions de kelvins, seuil que donne le même Observatoire de Paris : la fusion de l’hydrogène démarre, l’énergie produite pousse vers l’extérieur, et l’astre se stabilise. L’étoile est née, au sens plein du terme.

Tout dépend ensuite de la masse. En dessous de 0,07 à 0,08 masse solaire, le cœur n’atteint jamais le seuil : l’objet reste une naine brune, une étoile ratée qui refroidit lentement. À l’autre extrémité, une étoile de huit masses solaires brûle son hydrogène en sept millions d’années à peine, puis s’effondre — et c’est de là que viennent les trous noirs stellaires. Les astres les plus modestes, eux, tiendront des dizaines de milliards d’années.

Où regarder cet hiver

La tache floue d’Orion, c’est la nébuleuse M42. Le catalogue Messier de l’Observatoire de Paris lui donne une magnitude visuelle de 4,0 — visible sans instrument par nuit correcte — et une étendue de 85 par 60 minutes d’arc, soit plus de quatre fois la surface de la pleine Lune. En son centre, l’amas du Trapèze compte parmi les plus jeunes connus, avec de nouvelles étoiles toujours en formation.

Deux précautions pour la voir. Choisissez une nuit sans Lune, en vous fiant aux phases de la Lune : la pleine Lune noie les nébuleuses. Et n’attendez pas de spectacle : rien ne bougera, puisque l’échelle de temps est le million d’années. Ne confondez pas non plus cette lueur immobile avec une étoile filante, qui n’a d’étoile que le nom. Ce que vous verrez est plus lent, et plus rare : une pouponnière prise en pleine photo.