métallicité dans l'évolution stellaire

Une fine couche mince de nickelate de néodyme, épaisse de quinze nanomètres, repose sur un substrat de gallate de néodyme. En dessous de cent quatre-vingts kelvins, elle se comporte comme un isolant : les électrons sont enfermés dans leurs cellules atomiques et ne peuvent pas se déplacer librement.

Un port vit au rythme des marées. L'eau monte puis se retire, et avec elle tout change : le niveau aux quais, la composition des sédiments au fond, même la salinité dans les coins reculés. Une galaxie fonctionne de manière similaire, mais au lieu de l'eau, c'est du gaz, et au lieu de la Lune, ce sont ses propres étoiles et les nuages voisins.

Dans une galaxie lointaine, la lumière du gaz incandescent aurait dû révéler sa composition. Le télescope James Webb a décomposé cette lumière en spectre, et les astronomes ont vu : les raies de l'oxygène étaient trop faibles.

Dans 1433 paires de galaxies dispersées dans le ciel, les astronomes ont remarqué un motif inhabituel. Les voisines situées « au-dessus » ou « en dessous » d'un système stellaire massif contiennent jusqu'à un quart d'oxygène de plus que celles qui se trouvent dans le plan de son disque.

Deux cent quatre-vingt-neuf jours — c'est la durée d'une rotation de la naine blanche WD 1532+129. Ce n'est pas qu'un simple record : à sa surface, près des pôles magnétiques, apparaissent des cicatrices de fer et d'autres métaux — des témoins silencieux des planètes qu'elle a englouties.

L'eau qui bout dans une casserole — voilà par où commencer. Les bulles de vapeur remontent, éclatent, et la surface se calme. C'est à peu près ainsi qu'au tout début de la vie de l'Univers, un champ particulier remplissant l'espace a pu se comporter : des bulles de nouvelle phase s'y gonflaient et entraient en collision — comme des îlots de vapeur dans un…

Pendant treize milliards d'années, la lumière a voyagé à travers le vide cosmique. Elle contournait de massifs galaxie qui, comme l'avait prédit Einstein, agissaient comme des lentilles géantes — amplifiant et déformant le lointain rayonnement. En 2023, l'instrument NIRSpec à bord de James Webb a capté cette lumière et l'a décomposée en spectres.

L'âge d'une étoile est la clé de l'histoire de la Galaxie. Mais arracher cette clé à la nature n'est pas chose aisée : contrairement à un arbre, une étoile ne produit pas de cernes annuels. Pourtant, son atmosphère renferme un code chimique : le rapport des éléments, qui a lentement changé au fil des générations d'étoiles qui mouraient et naissaient.

La nébuleuse d'Orion est la vitrine de l'astrophysique, un laboratoire pour étudier la formation stellaire à nos côtés. Depuis plus d'un siècle, sa lumière est décomposée en spectres, et chaque raie interdite murmure sa version du nombre d'électrons par centimètre cube.

Les étoiles à neutrons — vestiges de supernovae — sont parmi les objets les plus denses de l'Univers. Leur densité centrale dépasse de plusieurs fois la densité nucléaire, et leur gravité n'est surpassée que par les trous noirs.

Une sub-Neptune est une planète dont la taille se situe entre celle de la Terre et celle de Neptune. Ces mondes sont très nombreux dans notre Galaxie, mais leur structure est encore débattue. Une nouvelle étude montre que, dans leur jeunesse, ces planètes se comportent comme une éponge imbibée d'eau.

Au centre de l'attention se trouvent de minuscules cités stellaires : les galaxies naines ultra-faibles. Elles ressemblent à des essaims de lucioles dispersés qui tournoient dans un vaste nuage invisible. Ce nuage est un halo de matière noire ultra-légère. Ses particules sont si légères qu'elles se comportent non pas comme des boules de billard, mais comme des ondes.

Une planète de la taille de Neptune, mais chauffée à blanc. Sous les nuages, un océan de magma capable d'absorber toute une atmosphère d'hydrogène. Le nouveau modèle SEAMIST a pour la première fois suivi comment une telle dissolution change le destin de la planète, de sa naissance à sa vieillesse.

Les galaxies elliptiques sont de paisibles métropoles stellaires à la retraite. Selon toutes les lois, leur lumière devrait être calme, rougeâtre, comme un coucher de soleil. Mais les spectres crient le contraire : dans l'ultraviolet lointain, ces vieilles dames flambent comme des guirlandes de Noël.

Une galaxie, c'est un peu une autoroute cosmique où les étoiles, telles des voitures, filent en rond. Leur vitesse dépend de la « charge » invisible à l'intérieur de leur orbite : plus il y a de masse, plus les véhicules extérieurs vont vite.

Un cuisinier verse du sirop de sucre chaud sur une table froide, et il se fige en cristaux. C'est à peu près ainsi que les ingénieurs imaginaient la solidification des métaux : le liquide devient directement un amas de grains cristallins. Mais un gros plan vidéo a montré qu'une étape supplémentaire s'intercale entre le liquide et le solide.

Dans un jardin où les premières fleurs non seulement s'épanouissent, mais laissent aussitôt tomber leurs graines bien au-delà de la clôture, il y a quelque chose d'incroyablement généreux. Quelque chose de semblable se passait dans l'Univers jeune.

Le halo de notre Galaxie est un immense nuage diffus d'étoiles anciennes qui enveloppe le disque que nous connaissons. Il conserve la mémoire de la croissance de la Voie lactée, qui a absorbé des galaxies naines voisines.

La planète rouge est entourée de débris de mondes avortés — des blocs de pierre remplis de métal. Envoyer un kilogramme d'acier de la Terre vers Mars coûte autant que plusieurs voitures. Il est bien moins cher de récupérer de la ferraille spatiale directement en orbite.

Dans un morceau solide d'alliage d'étain et de plomb, les couches des deux métaux sont empilées comme les pages d'un livre. Lorsqu'on chauffe par un côté, les couches ne fondent pas uniformément, mais en formant des langues et des doigts capricieux.

Le lithium est comme un thermomètre plongé dans les entrailles d'une étoile. Cet élément léger se détruit à une température d'environ 2,5 millions de degrés, si bien que sa quantité en surface révèle à quel point la matière stellaire a été mélangée en profondeur.

Deux étoiles très petites et froides, semblables à la célèbre TRAPPIST-1, vivent dans le jeune amas stellaire du Scorpion supérieur. Elles n'ont que 5 à 10 millions d'années – des bébés à l'échelle cosmique. Autour de chacune tourne un disque de gaz et de poussière, dans lequel des planètes pourraient éventuellement se former.

Les étoiles anciennes, presque dépourvues d'éléments lourds, sont comme des fossiles des premières lueurs cosmiques. On a longtemps cru que l'étrange rapport entre le carbone, l'hydrogène et l'hélium dans trois de ces étoiles exigeait l'explosion d'une hypernova — une supernova extrêmement brillante, avec une énergie des centaines de fois…

Au milieu du XXe siècle, l'astronome Vera Rubin a découvert que les étoiles aux confins des galaxies se déplacent trop vite — une masse invisible les retient. C'est ainsi qu'est né le mystère de la matière noire. Elle n'émet pas de lumière, mais se manifeste par la gravitation.

Le gaz d'une galaxie brille comme une enseigne au néon, et c'est en observant la couleur de cette lueur que les astronomes déterminent sa température. La logique est simple : plus le gaz contient d'éléments lourds (que les astronomes appellent « métaux »), plus il se refroidit efficacement. Les galaxies riches en métaux devraient donc être plus froides.

Au centre d'Oméga du Centaure, l'amas globulaire le plus massif de notre Galaxie, des milliers d'étoiles se serrent si densément que, depuis la Terre, leur lumière se fond en une tache scintillante. Séparer cet essaim en étoiles individuelles et connaître la composition de chacune est une tâche comparable au tri d'une fourmilière surpeuplée.

La cuisine d'une galaxie lointaine ne se limite pas à son disque brillant. Autour de chaque système stellaire flotte un nuage de gaz invisible, comme la vapeur au-dessus d'une casserole de soupe. Des astronomes ont observé cette vapeur autour de galaxies telles qu'elles étaient seulement un milliard et demi d'années après le Big Bang.

Une étoile neuf fois plus massive que le Soleil allume autour d'elle une zone où de l'eau liquide pourrait exister sur une planète. Mais cette zone est comme une étroite bande de plage à marée basse : après 30 millions d'années, elle disparaît. Ces étoiles vivent intensément et meurent jeunes, ne laissant pas à la vie le temps de parcourir le long chemin des microbes aux êtres complexes.

Autour des jeunes étoiles, des disques de gaz et de poussière tourbillonnent — comme des chantiers de construction pour les futures planètes. C'est de cette matière que se formeront les mondes rocheux et les géantes gazeuses.

Une carte de ville où, au lieu des rues, on aurait les vitesses des voitures, et au lieu des immeubles, la teneur en métaux des étoiles. Avec une telle carte, on peut repérer le centre et les périphéries sans connaître les distances exactes. C'est précisément cette approche qu'ont adoptée les astronomes pour notre Galaxie, en utilisant les diagrammes « longitude–vitesse » (ℓ–v).

Dans la cuisine de la Galaxie, il existe une recette de soupe stellaire. L'ingrédient principal est l'hydrogène, mais le goût du plat dépend d'une pincée de métaux. Pour la première fois, des astronomes ont regardé dans les casseroles où cette pincée manque presque, et ils ont vu : il y manque les plus petites étoiles.

La théorie standard de la supraconductivité, élaborée par John Bardeen et ses collègues, n'explique pas pourquoi d'excellents conducteurs comme l'or et le cuivre ne passent jamais à l'état supraconducteur.

Dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie qui orbite autour de notre Voie lactée, des astronomes ont capturé cinq étoiles qui ressemblent à des fossiles d'un passé très lointain.

Une géante rouge ressemble à un ballon qui laisse échapper lentement son gaz. L'étoile gonfle, ses couches externes s'affaiblissent, et le vent stellaire emporte de la masse dans l'espace. Mais combien exactement l'étoile perd-elle ? C'est une question importante : de la réponse dépend ce que deviendra son reste — naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir.

Quand l'Univers avait moins d'un milliard d'années, il ressemblait à un épais brouillard : la lumière ultraviolette ne pouvait pas voyager loin car le gaz interstellaire l'absorbait. Mais peu à peu, à mesure que les premières étoiles et galaxies naissaient, le brouillard s'est dissipé — ce processus est appelé l'époque de la réionisation.

Le télescope James Webb observe l'étoile TRAPPIST-1 — une minuscule naine rouge autour de laquelle gravitent sept planètes de la taille de la Terre. Et il voit quelque chose d'inhabituel : les éruptions brillantes sur cette étoile atteignent à peine 3500–4000 degrés.

Les galaxies ressemblent à d'immenses cuisines où, dans les entrailles des étoiles, les atomes légers se compressent en atomes lourds — un peu comme la farine et l'eau deviennent du pain. Quand une étoile meurt, elle rejette ce qu'elle a accumulé dans le gaz interstellaire, l'enrichissant d'« épices » : oxygène, carbone, fer.

Les roches lunaires ont rapporté une énigme : leur âge est de 4,35 milliards d'années, mais la Lune elle-même aurait dû apparaître 150 millions d'années plus tôt. Le temps manquant est caché dans le réchauffement par les marées.

Dans le flux des rayons cosmiques — ces particules qui nous parviennent des profondeurs de la Galaxie — le titane est rare. Ses noyaux sont presque impossibles à distinguer de ceux du fer : tous deux sont lourds, tous deux laissent des traces similaires dans les détecteurs.