Un Univers à la Fois
Supposons que vous vouliez construire une étoile. Peut-être faites-vous partie d’une civilisation avancée de type Kardashev 3, et vous devez faire une étoile pour votre projet scientifique de troisième année. Comment feriez-vous pour créer une étoile?
Au niveau de base, il est assez simple de construire une étoile. Rassemblez simplement la valeur de gaz et de poussière d’une étoile, laissez-la s’effondrer sous son propre poids et, avec suffisamment de temps, une étoile se formera. C’est ainsi que les étoiles se forment naturellement. Mais puisque nous pourrions être classés sur ce projet, ce serait bien d’avoir une idée de la masse dont nous pourrions avoir besoin, et de la taille et de la température de l’étoile résultante.
La réponse dépend beaucoup du matériau que vous utilisez et de son comportement sous différentes températures et pressions (ce qu’on appelle parfois son équation d’état). Puisque le matériau le plus commun dans l’univers est l’hydrogène, gardons les choses simples et supposons que nous construirons notre étoile à partir d’hydrogène pur. Puisque l’hydrogène a une équation d’état très simple, il est facile de calculer ce qui se passera lorsque nous construirons notre étoile.
Taille des planètes en masse.
Lorsque nous commencerons à rassembler de l’hydrogène, deux choses commenceront à se produire. La première est que l’attraction gravitationnelle entre les atomes d’hydrogène commencera à effondrer le gaz sous son propre poids. La seconde est que la pression de l’hydrogène va repousser contre le poids. Avec le temps, le gaz atteindra l’équilibre hydrostatique, où la pression du gaz est égale à son poids, à quel point vous avez une boule d’hydrogène stable. Cela en soi ne suffit pas à faire une étoile. Si vous avez rassemblé une masse d’hydrogène de Saturne, vous auriez une planète de la taille de Saturne, pas une étoile. La solution évidente est simplement d’ajouter plus d’hydrogène, ce qui rendrait votre planète de plus en plus grande. Finalement, votre boule de gaz deviendrait une planète de la taille de Jupiter, et vous continuez à ajouter de l’hydrogène.
Taille du pic pour une planète de type Jupiter.
Mais il s’avère que quelque chose d’intéressant se produit lorsque vous continuez à ajouter de l’hydrogène à votre planète. Plus vous avez d’hydrogène, plus vous avez de masse, ce qui signifie plus de poids. Le gaz est pressé plus fortement et, par conséquent, il se comprime. Donc, si vous doublez la masse de votre planète de la taille de Saturne, vous n’obtenez pas une planète deux fois plus grande que Saturne. Vous obtenez une planète un peu plus grande que Saturne, mais avec une densité plus élevée. Par exemple, Jupiter a plus de trois fois la masse de Saturne, mais seulement environ 15% plus grande. Cependant Jupiter a une densité moyenne environ deux fois supérieure à celle de Saturne.
Au fur et à mesure que vous ajoutez de la masse, votre planète grossira jusqu’à environ 3 masses de Jupiter. À ce stade, le poids de votre boule d’hydrogène est si important qu’en ajouter plus rend la planète plus petite. En conséquence, une planète 10 fois la masse de Jupiter aurait à peu près la même taille que Jupiter elle-même. Cela représente un véritable défi pour les astronomes qui étudient les exoplanètes. Ce n’est pas parce qu’une planète a la taille de Jupiter qu’elle a une masse de Jupiter. Il en va de même pour les petites planètes. Une planète « super-Terre » un peu plus grande que la Terre pourrait être une planète rocheuse ou une petite planète ressemblant à Neptune selon sa composition.
Naines brunes vs étoiles. Crédit: P. Marenfeld & NOAO/AURA/NSF
Une fois que votre boule d’hydrogène atteint environ 15 masses de Jupiter, elle entre dans le régime des naines brunes. L’ajout de plus de masse continue de le rendre plus petit, mais à ce stade, la température de son intérieur commence à jouer un rôle important. Notre modèle simple d’équilibre hydrostatique ne suffit pas. L’hydrogène au centre est comprimé si fortement qu’il chauffe considérablement. Ainsi, alors qu’une naine brune a à peu près la même taille que Jupiter, elle peut être plus de 10 fois plus chaude. L’ajout de plus de masse continue de réduire légèrement la naine brune, mais il arrive un moment où l’intérieur devient si chaud qu’il augmente la pression de l’hydrogène plus rapidement que le poids ajouté ne peut comprimer. Tout comme il y a une taille maximale pour une planète, il y a une taille minimale pour une naine brune. Cette taille minimale est d’environ 80% celle de Jupiter, à quel point une naine brune a une température d’environ 2000 K. Une telle naine brune ressemblerait à une petite étoile sombre.
Taille vs masse pour les étoiles de la séquence principale.
Mais une véritable étoile est une étoile dans laquelle la fusion nucléaire se produit dans son noyau. La lumière et la chaleur d’une étoile ne sont pas dues à la contraction gravitationnelle, mais plutôt à la création d’énergie par fusion de l’hydrogène en hélium. Cela commence à se produire lorsque votre boule d’hydrogène atteint environ 90 masses de Jupiter, ce qui par coïncidence est à peu près la même masse qu’une naine brune de taille minimale. Maintenant que vous avez fait une étoile, ajouter plus d’hydrogène la rend plus grande et plus chaude. Parce que les étoiles fusionnent l’hydrogène dans leur noyau, leur taille et leur densité changent avec le temps. Mais si nous ne considérons que des étoiles stables de la séquence principale, alors il y a une relation simple entre la masse et la taille. Vous pouvez donc simplement décider de la quantité d’hydrogène à utiliser et calculer la taille de votre étoile.
Bien sûr, ce n’est qu’une simple étoile hypothétique. Les vraies étoiles ne sont pas faites uniquement d’hydrogène, et selon leur origine et leur âge, elles peuvent se comporter très différemment de notre simple étoile. Les détails seront laissés comme un exercice de devoirs pour le lecteur.