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Les naines blanches


Aperçu
Les naines blanches sont des étoiles de masse intermédiaire (disons entre 0,8 et 8 à 10 fois la masse du Soleil) parvenues au terme de leur existence nucléaire, après le stade de géante rouge et celui d'étoile centrale de nébuleuse planétaire. Désormais débarrassées de l'essentiel de leur enveloppe, ce ne sont plus que des étoiles réduites un noyau compact, enveloppé d'une fine couche d'hydrogène ou d'hélium.

Il s'agit toujours d'objets très petits et peu lumineux. Une naine blanche concentre en général une masse comprise entre 0,6 et 1,4 masses solaires, dans un volume de l'ordre de celui de la Terre. La matière à l'intérieur de l'astre atteint ainsi des températures dépassant le million de degrés, et des densités de l'ordre de plusieurs milliers de tonnes par centimètre cube. Dans une naine blanche de la masse du Soleil et d'un diamètre de 10 000 km seulement, comme l'étoile de van Maanen (Poissons), par exemple, la matière présente une densité un million de fois supérieure à celle de l'eau dans les conditions ordinaires.

[Les géantes rouges]
La borne supérieure de 1,4 masses solaires envisageable pour une naine blanche est appelée la masse limite de Chandrasekhar, du nom de l'astrophysicien qui l'a mise en évidence. Elle trace la ligne de partage entre les étoiles appelées à devenir des naines blanches, et celles dont le destin est celui d'étoile à neutrons, voire de trou noir. Ce seuil est éventuellement un peu plus élevé en fonction de la vitesse de rotation de l'étoile (une naine blanche, du fait de sa compacité, accomplit en général sa rotation en une petite dizaine de secondes). Cela posé, il n'est pas exclu que certaines naines blanches, proches de la limite de Chandrasekhar et possédant un compagnon dont elles happent l'enveloppe, puissent accroître leur masse suffisamment pour franchir le seuil et donc imploser en étoiles neutrons.
[Les étoiles à neutrons]
[Les trous noirs]
Contrairement à ce que l'on observe dans un gaz ou un plasma, les atomes et les électrons à l'intérieur d'une naine blanche se retrouvent comme plaqués les uns contre les autres, un peu comme s'ils se touchaient et imposaient une résistance à toute compression supplémentaire (la limite de compression n'est franchie, justement, que dans le cas des étoiles à neutrons). La loi qui dans un gaz relie normalement pression, volume et température cesse ici d'être valable. On a affaire à ce que les physiciens appellent de la matière dégénérée.

La dégénérescence se traduit en particulier par une conductivité thermique élevée. Il n'existe dès lors pas de courants de convection à l'intérieur de l'étoile susceptibles d'en brasser les constituants. Les différents éléments chimiques contenus dans une naine blanche tendent donc à se stratifier. Les plus lourds migrent vers le centre de l'étoile, les autres flottent en surface. Un tel processus permet d'interpréter les différents types de naines blanches comme des stades plus ou moins avancés de cette sédimentation.

Les naines blanches ont initialement des températures superficielles qui peuvent dépasser les 10 000 K (d'où leur couleur blanche ou bleutée). Mais comme les réactions de fusion thermonucléaire ont cessé dans leur coeur, et qu'elles ne produisent donc plus d'énergie, elles sont appelées à se refroidir inéluctablement, comme un fer à repasser débranché. Au fil du temps (peut-être 10 milliards d'années), elles deviennent des objets froids et n'émettant pratiquement plus aucun rayonnement. Les noyaux de leurs atomes, dont l'agitation était jusque là à l'origine de la température, peu à peu deviennent suffisamment "lents" pour pouvoir s'organiser en un réseau cristallin. On parlera alors, pour ces astres solides dont on ne connaît pas encore d'exemple, de naines noires.

Un autre destin peut aussi être envisagé lorsque les naines blanches appartiennent à des systèmes binaires serrés. La chute à leur surface de matière en provenance de leur compagnon pourra en particulier donner lieu à des explosions localisées (phénomène de nova), ou à des explosions plus importantes détruisant complètement la naine blanche (phénomène de supernova de type I). [Les novae]
[Les supernovae]
Diamètres comparés de naines blanches et d'objets du Système solaire

Mise en ordre
Il existe deux principales familles de naines blanches, selon la composition chimique de leur atmosphère. La seconde présentant plusieurs variantes. Dans tous les cas, la type est précédé de la lettre D, qui est l'initiale de dwarf = naine.
    DA - Ces astres, qui représentent 85% des naines blanches, ont une enveloppe d'hydrogène pur, formant une couche d'une centaine de kilomètre d'épaisseur. Température entre 7000 et 30 000 K et masse entre 0,6 et 0,8 masses solaires.

    DB - Ces naines blanches sont, pour leur part, dépourvues pratiquement d'hydrogène à leur surface. Riches en hélium, elles présentent aussi à des degrés divers des traces d'éléments lourds. Ici, des mouvements de convection dans les régions périphériques subsistent et font remonter des matériaux un peu plus profonds. Les masses de ces objets sont souvent faibles : de l'ordre de 0,3 masses solaires.
     

      DBA - Ce sous-type correspond à la présence d'un peu d'hydrogène dans des naines riches en hélium. L'étoile est en fait dans une situation intermédiaire entre DA et DB.

      DC - Ce sous-type correspond à une extension vers les basses températures des naines DB. Les raies spectrales sont ici absentes (le C rappelle que l'on observe un spectre continu, ressemblant à celui du corps noir).

      DO - Ce sous-type, au contraire, représente une extension vers les hautes températures des naines DB. Le "O" signale la parenté de couleur de ces astres avec les géantes bleues de type O.
       

Les pulsations léthales des ZZ Ceti

Certaines naines blanches, dont le prototype est UV Ceti (Baleine), connaissent des variations d'éclat assez inattendues, pour des objets moribonds et dont pourrait croire absente toute velléité de changement. En fait, c'est ce qui reste de l'enveloppe d'hydrogène ou d'hélium ionisés, qui apparemment bat la cadence et expliquerait les petites variations de luminosité observées.
[Les variables pulsantes]

Collection

Les naines blanches les plus brillantes

Plus de 700 naines blanches ont été cataloguées dans la Galaxie. La moitié d'entre elles, semble-t-il, proviennent d'étoiles de masse initiale supérieure à 1,5 masses solaires. Et celles-là sont âgées de moins de trois milliards d'années. Au total, les naines blanches rassembleraient 15 à 20 % de l'effectif des étoiles de la Voie Lactée.

On indique ici les plus brillantes (ce qui n'en fait pas pour autant des objets faciles à repérer ou spectaculaires...). Sauf indication contraire, il s'agit d'étoiles de type DA. La colonne V correspond à la magnitude visuelle :

Étoile Constellation Coordonnées V Remarques
Sirius B Grand Chien 06h 43,0 mn -16°39' 8,7 Le compagnon de Sirius est la naine blanche la plus proche de nous
40 Eridani B Eridan 04h13,0 -07°44' 9,7 Autre nom : Omicron-2 Eridani B. C'est la première naine blanche découverte.
BD+16°516 Taureau 03h 47,6 mn +17°05' 10,4 Cet objet apartient à un système binaire à éclipses
Procyon B Petit Chien 07h 36,7 mn +05°21' 10,8 Compagnon de Procyon. La naine blanche la plus proche après Sirius B
F34 Grande Ourse 10h 36,7mn +43°22' 11,1 Cet astre possède un spectre de type O particulier, qui le fait parfois ranger parmi les sous-naines bleues plutôt parmi les naines blanches.
LB 3303 Hydre mâle 03h10,0 mn -68°48' 11,2 Cette naine blanche appartient à un système double, dont la seconde composante est une étoile rouge de magnitude 14.
L 145-141 Mouche 11h 42,9mn -64°34' 11,4 Spectre particulier pour cet énigmatique objet, qui pourrait appartenir à un présumé petit courant de 7 étoiles, dont quatre sont des naines blanches...
F110 Verseau 23h 17,4mn -05°26' 11,5 Le spectre de l'étoile présente de fines raies d'hélium (type DO). Il pourrait s'agir d'une sous-naine, plutôt que d'une naine blanche.
W1346 Petit Renard 20h 32,3mn +24°53' 11,5 Le spectre de cet objet suggère qu'il appartient peut-être à un système binaire.
GD-294 Lynx 07h 13,3mn +58°30' 12,0 Naine blanche de type DO
L 532-81 Boussole 08h 39,7 mn -32°47' 12,0
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L 711-10 Capricorne 20h 39,7mn -20°16' 12,0
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He 3 Cocher 06h 44,3mn +37°36' 12,1
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LDS 678a Aigle 19h 17,9mn -07°46' 12,2 Cet objet appartient à un système double. Séparation : 27"
W 485 Vierge 13h 27,7mn -08°19' 12,3
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van Maanen Poissons 00h 46,5 mn +05°09' 12,4 La naine blanche la plus proche après Sirius B et Procyon B...
L 770-3 Scorpion 16h 15,1mn -15°28' 12,4
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