Supernova de Kepler (ou étoile de Kepler). Image © NASA

Supernova de Kepler (National Aeronautics and Space Administration (NASA), Wikimedia Commons)

Les STIM en contexte

La vie et la mort des étoiles

Parlons sciences et Melany Mclean
Format
Lisibilité
7.35

Résumé

Les étoiles sont essentielles à la vie telle que nous la connaissons, car dans leur cycle de vie et de mort elles forment les composants chimiques de la Terre.

Lève les yeux vers les étoiles. Elles peuvent sembler être des lumières permanentes dans le ciel nocturne, mais savais-tu que les étoiles finissent par mourir? La vie et la mort des étoiles forment les ingrédients qui composent la Terre, ce qui fait que les étoiles sont essentielles à la vie telle que nous la connaissons. 

L’Univers primitif contenait seulement les éléments chimiques suivants: de l’hydrogène, de l’hélium ainsi que de petites quantités de lithium et de béryllium. Durant leur cycle de vie, les étoiles créent les éléments de faibles masses atomiques. Il s’agit des 26 premiers éléments du tableau périodique jusqu’au fer inclusivement. Pour la plupart, quand les étoiles meurent, ces éléments légers se dispersent à travers l’Univers, incluant vers des planètes comme la Terre.   

Comment les étoiles naissent-elles?

Au début de l’histoire de l’Univers, avant qu’apparaissent les étoiles et les planètes, de gigantesques nuages d’hydrogène et d’hélium ont commencé à se former. Lentement, ces nuages ont acquis une masse suffisante pour que leur propre gravité entre en action. Ceci a produit des boules de gaz extrêmement denses. En d’autres termes, ils ont formé des étoiles. 

Lorsqu’une nouvelle étoile se forme, son noyau est exposé à des forces gravitationnelles très grandes. Cette force est si élevée que l’étoile risque de s’effondrer sur elle-même. Heureusement, la fusion nucléaire fournit l’énergie dont l’étoile a besoin pour résister à l’effondrement de son noyau. La fusion nucléaire est un processus par lequel les noyaux de deux éléments ou plus se combinent pour former les noyaux d’éléments plus lourds. La fusion nucléaire libère également de l’énergie.  

Dans le cœur d’une étoile nouvellement née, les noyaux d’hydrogène commencent à fusionner pour former de l’hélium. Éventuellement, la force de la gravité vers l’intérieur et la force de la fusion nucléaire vers l’extérieur finissent par s’équilibrer. Pendant un certain temps, la fusion de l’hydrogène empêche l’effondrement de l’étoile. 
 

 

La fusion nucléaire illustrant la fusion des protons et des neutrons pour former de l’hélium.
La fusion nucléaire illustrant la fusion des protons et des neutrons pour former de l’hélium (Parlons sciences basée sur une image de Borb [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons).

Le savais-tu? 

L’étoile la plus rapprochée de la Terre, le Soleil, fusionne les atomes d’hydrogène pour former de l’hélium pendant que tu lis ces mots!

Lorsque la jeune étoile a épuisé l’hydrogène, son noyau recommence à s’effondrer. Les forces extrêmes qui s’exercent sur le noyau entraînent son réchauffement. Bientôt, le noyau est suffisamment chaud pour que s’amorce la fusion de l’hélium qui se transforme en carbone et en oxygène. Encore une fois, la fusion nucléaire pousse contre la gravité pour empêcher l’effondrement de l’étoile. L’étoile fusionne chaque nouvel élément l’un après l’autre. Ceci produit successivement des éléments ayant de faibles masses atomiques comme le carbone, l’oxygène et le néon. Non seulement la fusion nucléaire empêche-t-elle l’effondrement des étoiles, mais elle a permis aux premières étoiles de l’Univers de créer de nouveaux éléments qui n’existaient pas auparavant! Selon leur taille, les étoiles peuvent créer des éléments par fusion, jusqu’au fer, qui porte le numéro atomique 26.  

Cependant, le tableau périodique compte 118 éléments. Alors, d’où proviennent tous les éléments ayant un numéro atomique supérieur à celui du fer? De la mort des étoiles.
 

 

La naissance, la vie et la mort d’étoiles de différentes tailles.
La naissance, la vie et la mort d’étoiles de différentes tailles (Source: Illustration par JPLPublic publiée via NASA/JPL-Caltech ).

Comment les étoiles meurent-elles?

Même si les étoiles ne sont pas des choses vivantes, elles ont des « cycles de vie », et à une certaine étape, on dit qu’elles « meurent ». Comment une étoile vit et meurt dépend de sa taille.

Les plus petites étoiles, les naines brunes, sont trop grandes pour être considérées comme des planètes, mais trop petites pour être considérées comme des étoiles. Elles ne peuvent soutenir la fusion de l’hydrogène à cause de leur faible masse, et sont souvent appelées « étoiles ratées (ou avortées) ». Les petites naines rouges à consommation lente ont une très longue durée de vie. Elles peuvent survivre de 1 à 10 billions d’années! Les scientifiques croient que lorsque les naines rouges finissent par s’effondrer, elles deviennent des naines blanches. Ce sont des étoiles très denses qui ne brûlent plus de combustible. Les scientifiques croient aussi que, éventuellement, les naines blanches dans l’Univers se refroidiront et deviendront des naines noires.

Le savais-tu? 

La couleur d’une étoile est déterminée d’après sa température. Les étoiles les plus froides apparaissent de couleur rouge, alors que les étoiles les plus chaudes apparaissent de couleur bleue.

Lorsque les étoiles de taille moyenne, comme le Soleil, ont épuisé l’hydrogène, leurs noyaux se contractent et se réchauffent. Les couches gazeuses externes prennent de l’expansion et les étoiles deviennent des géantes rouges. Éventuellement, quand le noyau d’une géante rouge s’est refroidi, les gaz restants flottent dans l’espace, pour former une nébuleuse planétaire. Au cœur de chaque nébuleuse planétaire se trouve une naine blanche.

Le savais-tu? 

Quand le Soleil deviendra une géante rouge, il sera si énorme qu’il avalera Mercure, Vénus et possiblement la Terre avant de former une nébuleuse planétaire.

Une nébuleuse planétaire capturée par le télescope Hubble.
Une nébuleuse planétaire capturée par le télescope Hubble (Source: National Aeronautics and Space Administration (NASA) via Wikimedia Commons).

Les étoiles les plus volumineuses deviennent d’abord des supergéantes bleues avant de mourir de façon dramatique. En réalité, lors de leur effondrement, elles créent les plus grosses explosions dans l’Univers. Le nom donné à ces explosions est supernovas.

Le savais-tu?  

Une supernova est si brillante qu’elle peut surpasser une galaxie entière comportant 100 milliards d’étoiles!

L’explosion initiale d’une supernova génère tellement d’énergie qu’elle peut fissionner les noyaux des atomes, projetant des protons et des neutrons à travers l’Univers. Dans les moments qui suivent l’explosion, ces particules entrent en collision les unes avec les autres avec suffisamment d’énergie pour refusionner ensemble. Les éléments légers continuent de percuter ainsi des protons et des neutrons, grossissant toujours de plus en plus. Ce processus, qui est similaire à la fusion nucléaire, est appelé nucléosynthèse. La nucléosynthèse qui se produit durant l’explosion d’une supernova génère des éléments dont le numéro atomique est supérieur à celui du fer, qui ne peuvent être créés par la fusion nucléaire. Lorsque les premières étoiles sont mortes de cette manière, des éléments entièrement nouveaux, incluant l’or, ont été formés. Éventuellement, ces éléments se sont retrouvés ici sur la Terre.

Après l’explosion d’une supernova, le noyau qui reste devient une étoile à neutrons. Il s’agit d’un type d’étoiles extrêmement petites et denses. Pour ce qui est des étoiles les plus grosses d’entre toutes, le noyau restant est si massif et subit une force gravitationnelle si forte que même la lumière ne peut s’en échapper. On les appelle des trous noirs stellaires.
 

Simulation d’un trou noir avec la Voie lactée en arrière-plan
Simulation d’un trou noir avec la Voie lactée en arrière-plan (Source: Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; image de la Voie lactée en arrière-plan: Axel Mellinger [CC BY-SA 2.0 de] via Wikimedia Commons ).
Cette vidéo avec zoom progressif commence avec une vue du réseau de télescopes ALMA au Chili et zoome sur le cœur de la grappe d’étoiles Messier 47. Elle montre des observations de plus en plus détaillées pour finalement s’arrêter sur la première évidence visuelle directe de la silhouette d’un trou noir supermassif (0 min 54 sec).

Peu importe comment meurt une étoile, son cycle de vie peut transformer l’Univers. En l’absence d’étoiles, l’Univers ne contiendrait rien d’autres que des nuages d’hydrogène et d’hélium. Ce sont la vie et la mort des étoiles qui sont à l’origine des éléments qui composent tout ce que tu vois sur la Terre!

Le savais-tu? 

Des modélisations d’explosions de supernovas permettent de prédire la création d’éléments qu’on ne trouve même pas sur la Terre! Les scientifiques les appellent des noyaux exotiques.

Points de départ

Connecter et Relier
  • En quoi le cycle de vie d’une étoile est-il semblable au cycle de vie d’une chose vivante? En quoi est-il différent?
  • As-tu déjà entendu la citation « Nous sommes tous faits de matière d’étoile. Nous avons tous des morceaux d’étoile en nous », du célèbre astrophysicien et communicateur scientifique Carl Sagan? Avant la lecture de cet article, que signifiait pour toi cette citation? Est-ce que ta compréhension de cette citation s’est modifiée après ta lecture de l’article? Si oui, comment?
Connecter et Relier
  • En quoi le cycle de vie d’une étoile est-il semblable au cycle de vie d’une chose vivante? En quoi est-il différent?
  • As-tu déjà entendu la citation « Nous sommes tous faits de matière d’étoile. Nous avons tous des morceaux d’étoile en nous », du célèbre astrophysicien et communicateur scientifique Carl Sagan? Avant la lecture de cet article, que signifiait pour toi cette citation? Est-ce que ta compréhension de cette citation s’est modifiée après ta lecture de l’article? Si oui, comment?
Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement
  • Le cycle de vie d’une étoile se déroule sur des milliards d’années. Comment les astrophysiciens sont-ils parvenus à comprendre les changements que subissent les étoiles à une échelle du temps si colossale?
Relier la Science et la Technologie à la Société et à l'Environnement
  • Le cycle de vie d’une étoile se déroule sur des milliards d’années. Comment les astrophysiciens sont-ils parvenus à comprendre les changements que subissent les étoiles à une échelle du temps si colossale?
Explorer les Concepts
  • Dans quelles conditions les étoiles produisent-elles différents éléments chimiques? 
  • En quoi la fusion nucléaire diffère-t-elle de la nucléosynthèse?
  • Qu’est-ce qu’une supernova? Comment une supernova résulte-t-elle en la formation d’éléments?
  • Quelle incidence la taille d’une étoile a-t-elle sur son cycle de vie?
Explorer les Concepts
  • Dans quelles conditions les étoiles produisent-elles différents éléments chimiques? 
  • En quoi la fusion nucléaire diffère-t-elle de la nucléosynthèse?
  • Qu’est-ce qu’une supernova? Comment une supernova résulte-t-elle en la formation d’éléments?
  • Quelle incidence la taille d’une étoile a-t-elle sur son cycle de vie?
Nature de la Science / Nature de la Technologie
  • Pourquoi est-il important de comprendre la chimie et la physique lorsqu’on apprend ce qu’est le cycle de vie des étoiles?  
  • Qu’est-ce que l’astrophysique? Quelle est la différence entre l’astrophysique et l’astronomie?
Nature de la Science / Nature de la Technologie
  • Pourquoi est-il important de comprendre la chimie et la physique lorsqu’on apprend ce qu’est le cycle de vie des étoiles?  
  • Qu’est-ce que l’astrophysique? Quelle est la différence entre l’astrophysique et l’astronomie?
Littératie Médiatique
  • Connais-tu des chansons ou des compositions musicales sur les étoiles? Selon toi, pourquoi les étoiles ont-elles été une inspiration en musique?
Littératie Médiatique
  • Connais-tu des chansons ou des compositions musicales sur les étoiles? Selon toi, pourquoi les étoiles ont-elles été une inspiration en musique?
Suggestions d'enseignement
  • Cet article soutient l’enseignement et l’apprentissage sur la chimie et sur le sujet de l’espace. Les concepts de fusion nucléaire et de nucléosynthèse sont présentés dans le contexte du cycle de vie des étoiles et de la formation des éléments.
  • Avant la lecture de l’article, les enseignants peuvent interroger les élèves à l’aide des questions de la section « Faire des liens » pour susciter chez eux une réflexion sur les cycles de vie en général et pour faire appel à leurs connaissances antérieures au sujet des étoiles. 
  • Avant la lecture de l’article, les enseignants pourraient aussi vouloir fournir aux élèves la fiche reproductible « Aperçu du vocabulaire » pour introduire les nouveaux termes qu’ils rencontreront au fil de leur lecture. Téléchargez les fiches reproductibles basées sur la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire et disponibles dans les formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour consolider leur apprentissage, les élèves peuvent créer leur propre illustration représentant le cycle de vie d’un certain type d’étoile.
Suggestions d'enseignement
  • Cet article soutient l’enseignement et l’apprentissage sur la chimie et sur le sujet de l’espace. Les concepts de fusion nucléaire et de nucléosynthèse sont présentés dans le contexte du cycle de vie des étoiles et de la formation des éléments.
  • Avant la lecture de l’article, les enseignants peuvent interroger les élèves à l’aide des questions de la section « Faire des liens » pour susciter chez eux une réflexion sur les cycles de vie en général et pour faire appel à leurs connaissances antérieures au sujet des étoiles. 
  • Avant la lecture de l’article, les enseignants pourraient aussi vouloir fournir aux élèves la fiche reproductible « Aperçu du vocabulaire » pour introduire les nouveaux termes qu’ils rencontreront au fil de leur lecture. Téléchargez les fiches reproductibles basées sur la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire et disponibles dans les formats [Google doc] et [.pdf].
  • Pour consolider leur apprentissage, les élèves peuvent créer leur propre illustration représentant le cycle de vie d’un certain type d’étoile.

En savoir plus

 

La nucléosynthèse, ou comment les étoiles fabriquent des atomes (2018) Futura Sciences - comprend une vidéo de Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA qui explique le débat en cours sur la fabrication des éléments les plus lourds

Sommes-nous vraiment des poussières d’étoiles ? Stelvision - Une explication avec de nombreuses images attrayantes, comme on peut s'y attendre d'un fabricant de télescopes

Références

Cain, F. (2015, avril 9). How quickly does a supernova happen? Universe Today.

Freudenrich, C. (2016, novembre 17). How stars work. HowStuffWorks.

ITER Organization. (2016, novembre 24). Fusion.

Redd, N. T. (2018, février 24). Neutron stars: Definition & facts. Space.com.

Science Learning Hub. (2009, octobre 22). How elements are formed.

Smith, H. R. (2018, aout 21). What Is a black hole? NASA.