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La formation des étoiles

Aperçu

Dans la Voie lactée, il naît en moyenne quatre ou cinq étoiles chaque année. Ces naissances ont lieu en fait par à-coups, par bouffées, dans les régions où l'on rencontre en quantité suffisante la matière première requise : l'hydrogène, qui est aussi le principal constituant des nuages interstellaires. Les pourvoyeurs privilégiés de ce gaz seront les froids et poussiéreux nuages moléculaires géants. Dans une galaxie comme la Voie lactée, les sites de formation stellaire se situent donc là où se concentrent les nuages moléculaires géants, c'est-à-dire dans les bras spiraux. Un second site privilégié est la région la plus centrale de la Galaxie.

Lorsque, pour divers motifs, une portion de ces nuages est destabilisée, elle s'effondre sur elle-même et se fragmente. Puis le phénomène se répète et ce mécanisme des contractions et des fragmentations successives, explique pourquoi les jeunes étoiles forment le plus souvent des groupes.

Le détail des processus à l'oeuvre n'est pas encore très clair. Il semble aujourd'hui qu'il faille invoquer des mécanismes différents pour les étoiles massives, souvent impliquées dans des systèmes complexes, et pour les étoiles de faible masse comme le Soleil. Toujours est-il qu'au final l'afflux de gaz dans chaque condensation à partir de laquelle se formera une étoile provoque l'apparition d'un noyau de plus plus en plus dense et chaud, un embryon d'étoile en somme, qui prend le nom de proto-étoile.
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Les étoiles primordiales

Le schéma que l'on vient d'esquisser est applicable aujourd'hui, car dans dans l'univers actuel, de nombreuses générations d'étoiles se sont succédées et ont, à la fin de leur vie, soufflé dans l'espace quantité de ces poussières si précieuses pour mettre en route le processus d'astration.

La situation était différente lorsque l'univers était très jeune, et plus spécialement pour ce qui concerne la toute première génération d'étoiles - formées environ 200 millions d'années après le big bang -, d'abord parce qu'aucun mécanisme déclencheur ne peut en principe être invoqué pour initier le démarrage du processus, et ensuite parce qu'elles vont devoir constituées dans un milieu où la seule matière rendue disponible par la nucléosynthèse primordiale (hydrogène et hélium, principalement) est entièrement dépourvue de poussières.

A moins de vouloir s'embourber dans le paradoxe de la poule et de l'oeuf, d'autres mécanismes doivent donc être invoqués, dans lesquels interviennent, pensent les astronomes, une fraction d'atomes ionisés ayant survécu à la recombinaison. Les étoiles formées devaient également être assez différentes, avec des masses pouvant sans doute atteindre des centaines, voire des milliers de masses solaires, et des morts sans doute elles aussi aux modalités particulières. Autant d'objets à vie très courte et dont la formation dans l'univers actuel n'est plus envisageable.

Rouages

Du nuage à l'étoile

Pour fabriquer des étoiles, il faut de la matière en abondance, c'est-à-dire pour l'essentiel de l'hydrogène et de l'hélium, les deux constituants principaux de l'univers que l'on rencontre dans ces immenses réservoirs que sont les nuages interstellaires. Il faut également que cette matière soit en situation de se concentrer suffisamment. dans un un nuage, la dilution du gaz est extrême. Or une étoile ne parvient à s'allumer que parce que ses régions centrales sont parvenues à un haut degré de compression. De façon très générale, les conditions requises ne se rencontrent au total que dans les nuages de matière interstellaire les plus froids et les plus compacts. Autrement dit dans les nuages moléculaires géants, dont chacun rassemble suffisamment de matière pour former potentiellement des dizaines de milliers d'étoiles. Dans notre Galaxie et dans ses congénères, on les rencontre principalement le long des bras spiraux.

La nuages moléculaires géants dans lesquels se forment les étoiles sont en général dans une situation d'équilibre relatif. Dans un nuage moléculaire, la pression qui spontanément conduirait à sa dispersion y est globalement équivalente à la force de gravitation agissant, elle, en sens inverse. Mais que le nuage se cogne à un autre nuage, ou qu'il soit percuté par l'onde de choc créée par l'explosion d'une étoile proche et tout dérape. Une région quelconque du nuage devient, sous le choc, plus dense et tout son bel équilibre se rompt. Dans ce coeur dense, comme on l'appellera, la gravitation vainc inéluctablement la pression. La portion de nuage concernée commence dès lors à s'effondrer sur elle-même sous son propre poids. Une machine infernale se met ainsi en branle.

Une fragmentation hiérarchique
La route qui conduit de l'effondrement de ce coeur dense à l'allumage de la première étoile reste pourtant semée d'embûches. L'obstacle principal est constitué par une impérieuse loi de la physique : le principe de conservation du moment angulaire, qui oblige tout corps en rotation à ajuster sa vitesse à ses dimensions. Un coeur dense n'a aucune raison d'être parfaitement immobile dans l'espace, il tourne certainement sur lui-même. Lors de la contraction de son rayon, cette rotation va donc s'accélérer inévitablement. Et cela jusqu'à ce que l'apparition d'importante force centrifuge finisse par bloquer la poursuite de l'effondrement.

Notre coeur de nuage en rotation se contente en première instance de s'étaler sous l'effet de la force centrifuge pour former un disque épais. Cette grosse galette, rendue opaque par la concentration de poussières qu'elle renferme, tourne cependant à une telle vitesse dans ces régions intérieures que le matériau qu'elle contient ne parvient pas en son centre. Autrement dit, la force centrifuge, contrant efficacement la force de gravitation, creuse au coeur de la galette un espace vide. Si aucun autre mécanisme n'intervenait, la contraction des portions de nuages aboutirait à la formation d'un anneau de gaz en rotation. Mais en aucune façon à une étoile. Deux nouveaux phénomènes vont heureusement sauver le processus de formation stellaire. En premier lieu, on doit tenir compte de la fraction du faible champ magnétique qui baigne la Galaxie et qui se trouve piégée par les fragments de nuages en contraction. Avec leur effondrement l'intensité du champ augmente. Il devient alors assez puissant pour agir sur les ions (particules électriquement chargées) du nuage et, au total, freiner quelque peu sa rotation dans les régions internes et d'en accélérer les régions périphériques (processus d'évacuation du moment angulaire). Mais un second mécanisme encore plus efficace va aussi intervenir : la fragmentation de la masse gazeuse.
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Les objets de Herbig-Haro

La solidarité du champ magnétique et du gaz ionisé a des conséquences spectaculaires. Le champ magnétique se nourrit, pour grandir, de l'énergie de rotation du gaz. Une partie de cette énergie est recyclée dans les mouvements de convection à l'intérieur du disque et sera dissipée sous forme de chaleur. Mais une autre partie se voit engagée dans la constitution d'une composante dipolaire de ce champ magnétique.

De la matière tombant vers la proto-étoile se voit refoulée long des lignes de champ ouvertes sur l'espace. Ainsi se forment, de part et d'autre des régions centrales du disque, deux jets de particules accélérées à haute vitesse par le champ magnétique. Quand elles pénètrent dans le gaz moléculaire environnant, il se produit ce que l'on observe, en aérodynamique, quand un objet se propage à une vitesse supérieure à celle du son : un bang supersonique. De l'énergie et de la quantité de mouvement est alors transférée aux molécules qui se trouvent sur la passage de l'onde de choc.

Objet de Herbig-Hro HH-211.
L'objet de Hergig-Haro HH-211 (Persée), par le télescope
spatial infrarouge Webb. Photo : NASA, ESA, CSA, Webb;
Processing: Tom Ray (DIAS Dublin)

Le processus conduit à l'illumination du gaz ainsi porté à de très hautes températures ou de celui qui est soumis au rayonnement ultraviolet que ces températures suscitent. Il apparaît alors, de part et d'autre du sombre cocon protostellaire deux jets brillants, appelés des objets de Herbig-Haro (ou HH), du nom des deux astronomes - George Herbig et Guillermo Haro - qui ont découvert ces étranges structures dans les années 1950.

Le détail de la fragmentation des nuages protostellaires n'est pas encore parfaitement connu. Une possibilité est que l'anneau de gaz issu de l'effondrement tourne suffisamment vite pour éclater littéralement. Après tout, il n'y a aucune raison pour le supposer parfaitement homogène. Il peut lui aussi contenir des régions un peu plus denses, qui a trop tourner vont finir par vouloir vivre leur vie à elles. Elles vont donc se détacher. Chacun des fragments de l'anneau emporte alors sa part de moment angulaire, nécessairement plus faible que le moment angulaire initial. Il peut donc devenir à son tour un noyau de condensation et poursuivre l'effondrement. Si la force centrifuge finit par se révéler trop importante, une nouvelle fragmentation pourra encore avoir lieu. Et ainsi de suite jusqu'à ce que le moment angulaire des fragments résultants ne constitue plus un obstacle à leur condensation en étoile. La succession des fragmentations rend bien alors compte de la naissance en groupe des étoiles (Etoiles en société) et, semble-t-il, aussi, de l'abondance des étoiles doubles, qui apparaissent davantage comme la règle, alors que notre Soleil solitaire est plutôt une exception.

Au stade ultime de la fragmentation, chaque portion de nuage prend encore une fois la forme d'un disque épais, dans lequel se formeront peut-être des planètes. L'afflux de gaz qui maintenant tombe en torrents au centre et s'y accumule. Ainsi grossit d'abord une proto-étoile, c'est-à-dire un embryon d'étoile. Puis, du fait de la compression du gaz, la température s'élève rapidement dans des proportions inédites. Un prodigieux dégagement d'énergie s'ensuit qui souffle alors littéralement le gaz et la poussière du disque alentour. Celui-ci, qui au cours des épisodes précédents, formait encore un cocon opaque devient soudain transparent. La lumière s'extirpe brusquement des ténèbres.

Vers le feu nucléaire
Une étoile qui devient ainsi visible correspond à ce que les astronomes appellent la phase T Tauri, la contraction du gaz reste encore la seule source d'énergie. Une T Tauri est un objet encore très instable. Il connaît des crises, des variations soudaines d'éclat. Mais inéluctablement, il va s'assagir. Peu à peu, le compromis entre la gravitation et le niveau de compression du gaz susceptible d'en contrer l'action est bien trouvé. Dès que la contraction du gaz cesse, il n'y a plus de production d'énergie à partir du phénomène pompe à vélo, et la l'étoile commencerait maintenant à se refroidir et à s'éteindre si une nouvelle source d'énergie n'avait pris le relais entre-temps dans les tréfonds de l'étoile : la fusion thermonucléaire des noyaux d'hydrogène. Après cela, l'étoile pourra couler des jours tranquilles sur la séquence principale...