Du jamais-vu dans l'Univers : les astronomes révèlent une étoile verte aux couleurs presque psychédéliques

Un article publié dans la revue RAS Techniques and Instruments (Rasti), dont une version en accès libre existe sur arXiv, est quelque peu amusant. Il concerne une découverte faite par une équipe d'astrophysiciens parmi lesquels se trouve Mark Hollands, chercheur au groupe d'astronomie et d'astrophysique de l'Université de Warwick, qui a dirigé ces travaux. Ceux qui se souviennent de la chanson des Beatles, Lucy in the Sky with Diamonds, souriront peut-être avec ce que les chercheurs ont établi avec les naines blanches.

En effet, on dit parfois que Lucy in the Sky with Diamonds est une allusion cachée à la consommation de LSD, qui donne des visions fluo très colorées, paraît-il. En plus, on sait qu'en se refroidissant, les naines blanches cristallisent, pouvant leur donner un état proche de celui du diamant, mais pour un astre du volume de la Terre et avec une masse de l'ordre de celle du Soleil (voir les explications de Jean-Pierre Luminet dans la vidéo ci-dessous).

Une vue d'artiste d'une naine blanche, dont l'intérieur est en train de se cristalliser. Le cœur de l'étoile contient un mélange de carbone et d'oxygène pour l'essentiel. Les couches externes contiennent principalement de l'hélium et/ou de l'hydrogène résiduels. © University of Warwick, Mark Garlick

Rappelons que lorsqu'une étoile a une masse de huit fois celle du Soleil au début de sa vie, elle ne peut pas la finir en explosant en supernova, ni devenir au passage une étoile à neutrons ou un trou noir. Elle deviendra en fin de vie une géante rouge expulsant de la masse avant de devenir une naine blanche, son carburant thermonucléaire épuisé.

C'est le destin du Soleil et il aura alors une surface particulièrement chaude, ce qui le rendra très brillant et d'une couleur blanc-bleu.

Extrait du documentaire Du Big bang au Vivant (ECP Productions, 2010), Jean-Pierre Luminet parle de l'évolution des étoiles de type solaire, leur transformation en géantes rouges, puis en naines blanches. © Jean-Pierre Luminet

Des naines blanches « psychédéliques » ?

De façon étonnante, Mark Hollands et ses collègues se sont rendu compte qu'une fraction des naines blanches n'apparaissent pas du tout sous cette couleur.

De facto, si nous pouvions les observer de près, elles brilleraient dans des couleurs aussi inhabituelles que le vert, le rose, le cyan, le jaune ou le violet, explique un communiqué de l'Université de Warwick. Hollands y déclare aussi : « La plupart des étoiles, y compris la majorité des naines blanches, se comportent comme des radiateurs parfaits : leur couleur dépend donc presque exclusivement de leur température. Mais personne n'avait réellement étudié les autres possibilités concernant les naines blanches. Il s'avère que ces étoiles incroyablement denses peuvent produire des couleurs auxquelles personne ne s'attendait. Certaines m'ont véritablement surpris. »

Les astrophysiciens ont toutefois des explications, à commencer par le fait que les atmosphères de certaines naines blanches peuvent atteindre une densité comparable à celle de l'eau.

Or, dans ces conditions, les éléments présents à l'état de traces, comme le carbone, le calcium et le sodium, interagissent avec le plasma dense d'hélium environnant en absorbant certaines couleurs, ce qui a pour effet d'en rendre dominantes d'autres.

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Le communiqué explique : « Les naines blanches riches en carbone sont généralement roses ou violettes. Celles dont l'atmosphère a été enrichie par les débris d'astéroïdes et de comètes détruits, vestiges d'anciens systèmes planétaires, présentent plutôt des teintes jaunes.

Quant aux naines blanches les plus froides, dont l'atmosphère contient à la fois de l'hydrogène et de l'hélium, elles prennent souvent une coloration cyan ou bleu pâle. Celle-ci résulte des collisions entre les molécules d'hydrogène et les atomes d'hélium dans leurs atmosphères extrêmement denses. »

Selon lui, le cas le plus spectaculaire serait celui de la naine blanche (White Dwarf, en anglais) WD J1330+6435, qui apparaîtrait sous une couleur vert chartreuse. En fait, ce serait la première étoile découverte de cette couleur. Généralement, la couleur d'une étoile est principalement donnée par la théorie du fameux rayonnement du corps noir, celle qui dépend de la température de la surface d'une étoile, comme le fait une barre métallique chauffée qui passe du rouge au blanc avec une température croissante.

Enrichissement par le bas : la naine blanche froide WDJ0902+2010 présente une zone de convection profonde au sein de son enveloppe externe, composée majoritairement d'hélium. Cette zone de convection a atteint le cœur de la naine blanche, remontant du carbone depuis l'intérieur vers la surface, où il forme des molécules de carbone. Ces molécules C2 absorbent fortement la lumière dans tout le spectre visible – notamment dans les longueurs d'onde correspondant au bleu, au vert et au jaune –, ce qui donne à WDJ0902+2010 une teinte rose perçue par l'œil humain. © Mark A. Garlick, Université de Warwick

Des atmosphères polluées par des débris de planètes ?

L'origine de cette découverte n'est pas mystérieuse, elle serait due à un enrichissement de l'atmosphère de la naine blanche en atomes de calcium, lithium et sodium. Enrichissement transitoire dû au fait que l'étoile aurait dévoré récemment, à l'échelle de temps des étoiles, des matériaux rocheux provenant de son ancien système planétaire.

« Les traces de sodium présentes dans l'atmosphère de cette naine blanche absorbent la partie orange du spectre, ne laissant subsister qu'une étrange lueur verte. Imaginez-vous debout sur une planète, levant les yeux vers une étoile verte. On se croirait dans un récit de science-fiction », explique Mark Hollands.

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Une autre naine blanche, WD J1011+2845, située à 48 années-lumière, présenterait une coloration rose saumon particulièrement intense en raison de la présence de carbone dans son atmosphère.

Les chercheurs ont établi ces couleurs en combinant les spectres stellaires avec un modèle de la perception visuelle humaine.

L'analyse d'un échantillon de 151 naines blanches proches du Soleil montre cependant que seulement 3,3 % environ possèdent une couleur inhabituelle. La grande majorité apparaîtrait blanche, avec une température de couleur médiane d'environ 6 800 K.

Lucy in the Sky with Diamonds est une chanson du groupe de rock anglais The Beatles, issue de leur album « Sgt. Pepper's Lonely Hearts Club Band », paru en 1967. Elle a été principalement écrite par John Lennon, avec la collaboration de Paul McCartney, et est créditée au duo d'auteurs-compositeurs Lennon-McCartney. Julian, le fils de Lennon, a inspiré la chanson avec un dessin réalisé à l'école maternelle, qu'il avait intitulé « Lucy – in the sky with diamonds ». Peu avant la sortie de l'album, des spéculations ont vu le jour, suggérant que les premières lettres de chaque nom présent dans le titre formaient intentionnellement l'acronyme « LSD », désignant la drogue hallucinogène qu'est le diéthylamide de l'acide lysergique. Lennon a nié à maintes reprises avoir voulu écrire une chanson sur la drogue, attribuant plutôt l'imagerie fantastique du morceau à sa lecture des ouvrages de Lewis Carroll, Alice au pays des merveilles. © TheBeatlesLyrics

Simulations d’images de naines blanches aux couleurs fidèles à la réalité. Panneaux en haut à gauche : Sirius B est la naine blanche la plus proche du Système solaire ; elle possède une atmosphère d’hydrogène chaude, ce qui lui confère une teinte bleu pâle. À l’inverse, WDJ1147-7449 figure parmi les naines blanches froides les plus proches ; son spectre est dépourvu de raies caractéristiques, ce qui lui donne un aspect orangé. Panneaux en haut à droite : dans ces naines blanches froides, des enveloppes convectives ont remonté du carbone depuis le cœur de l’astre jusque dans son atmosphère dense, composée principalement d’hélium. Ce carbone forme des molécules diatomiques, à l’origine de diverses nuances de rose. Panneaux du bas : l’accrétion de débris rocheux, issus des systèmes planétaires entourant ces naines blanches, enrichit leurs atmosphères froides (riches en hélium) en éléments tels que le calcium, le magnésium et le sodium. La variabilité des quantités et de la composition des matériaux accrétés, combinée aux différentes températures des naines blanches, donne lieu à une grande diversité de couleurs, incluant le vert. En réalité, toutes ces étoiles seraient des millions de fois plus lumineuses que ce qu’il est possible d’afficher sur un écran. © Mark Hollands, Université de Warwick