Incroyable : l'intérieur d'une naine blanche a été reconstitué sur Terre

Les naines blanches sont des cadavres stellaires pouvant contenir la masse du Soleil dans le volume de la Terre. La matière y est très dense et nécessite pour être comprise de combiner, comme on sait le faire, les lois de la relativité restreinte et de la mécanique quantique. On arrive aujourd'hui à étudier expérimentalement l'état de cette matière en comprimant des atomes à presque un milliard d'atmosphères avec des lasers.

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 [EN VIDÉO] Comment évoluent les étoiles ?  Les étoiles naissent, vivent et meurent. Leur histoire est déterminée par leur masse initiale, laquelle décide des réactions thermonucléaires qui s'y produiront et des types de noyaux qu'elles synthétiseront avant de finir leur vie sous forme de naines blanches, d'étoiles à neutrons ou de trous noirs. 

La majorité des étoiles dans la Voie lactée sont des naines, des rouges en particulier comme Proxima Centauri ou Trappist 1. Il y a aussi de nombreuses naines jaunes comme notre Soleil. Elles partageront toutes un destin commun avec les étoiles de moins de huit masses solaires, elles ne finiront pas en supernovae SN II. Elles finiront toutefois par mourir en épuisant leur carburant nucléaire et elles se transformeront alors en naines blanches, une fois les réactions thermonucléaires de type proton-proton et CNO devenues impossibles.

Toutes n'en resteront pas là et si elles vont pouvoir se cristalliser, à force de se refroidir, en donnant des sortes de diamants de la taille de la Terre à partir de leur noyau très riche en carbone (un cristal de Wigner pour être précis), certaines finiront parfois sous forme de supernovae SN Ia lorsqu'elles sont en couple dans un système binaire.

Si les astronomes ont fait la découverte des naines blanches au XVIII^e siècle, ils n'ont commencé à se rendre compte à quel point ces astres étaient exotiques qu'au tout début du XX^e siècle avec la détermination de l'extraordinaire densité des naines blanches. Une valeur de l'ordre de la tonne par centimètre cube fut en effet déduite de l'observation d'étoiles comme Sirius B.

Extrait du documentaire Du Big bang au Vivant (ECP Productions, 2010), Jean-Pierre Luminet parle de l'évolution des étoiles de type solaire, leur transformation en géantes rouges puis en naines blanches. © Jean-Pierre Luminet

Il n'a été possible de comprendre et d'étudier la nature et l'origine des naines blanches que depuis moins d'un siècle, depuis les travaux du physicien Ralph Fowler et de l'astrophysicien Subrahmanyan Chandrasekhar. Fowler comprit le premier que la toute nouvelle mécanique statistique quantique découverte par son collègue Paul Dirac à la fin des années 1920 (qui prédit théoriquement l'existence de l'antimatière à la même époque), décrivant un gaz d'électrons dégénéré dans le jargon des physiciens, pouvait expliquer l'existence de ces étoiles. Reprenant rapidement au début des années 1930 les travaux de Fowler, le tout jeune Subrahmanyan Chandrasekhar (âgé alors de 20 ans) eut l'idée d'introduire les effets de la théorie de la relativité restreinte et il posa les fondations de la structure stellaire de ces étranges objets.

Les naines blanches, des astres qui vibrent et pulsent

On étudie ces cadavres stellaires encore de nos jours, notamment observationnellement grâce à l'astérosismologie, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous. Mais, tout comme il a été nécessaire de reproduire en laboratoire les conditions physiques et la composition des roches du manteau de la Terre pour progresser dans l'étude de sa structure à l'aide de la sismologie, les physiciens ont entrepris de reconstituer sur notre Planète bleue les conditions régnant à l'intérieur des naines blanches. Ceci afin de préciser ce que l'on appelle en thermodynamique l'équation d'état de la matière les composant.

Les derniers travaux à ce sujet sont exposés dans un article publié dans Nature et qui relate les expériences faites avec les faisceaux laser disponibles au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), là où se trouve l'une des plus puissantes sources de lumière laser sur Terre avec la National Ignition Facility (NIF), qui sert en particulier à faire des expériences sur la fusion contrôlée inertielle. On y mène également des expériences de hautes pressions pour explorer l'intérieur des planètes géantes comme Jupiter.

Pour être précis, les chercheurs ont voulu préciser l'équation d'état de la matière à l'intérieur d'une sous-classe bien précise de naines blanches identifiée au début des années 2000. Rappelons qu'en spectroscopie, les naines blanches forment la classe D de la classification spectrale des étoiles. Elles sont réparties entre plusieurs sous-classes - DA, DB, DC, DO, DQ et DZ - en fonction des caractéristiques de leur spectre. En l'occurrence, la recherche a porté sur la classe DQ qui se singularise par une atmosphère pauvre en hydrogène et hélium, contrairement à la majorité des naines blanches, mais particulièrement riche en carbone, entourant un noyau d'oxygène et de carbone.

Dans les expériences réalisées, les physiciens ont utilisé un échantillon sphérique d'un millimètre d'un composé à base de carbone connu sous le nom de méthylidyne (CH), un exemple de carbyne désignant en chimie un radical carbone monovalent. Il était placé dans un minuscule cylindre d'or constituant un hohlraum comme ceux utilisés pour faire de la fusion. Les ouvertures aux deux bouts du cylindre permettent d'y faire pénétrer les faisceaux laser qui chauffent les parois internes. Celles-ci émettent un rayonnement X intense qui apporte l'énergie nécessaire au microballon pour le comprimer et le chauffer. La petite coquille de polymère entourant la méthylidyne se sublimant rapidement, le départ de la matière vaporisée par les lasers exerçait en retour une force de pression portant les radicaux CH à près de 3,5 millions de degrés et à des pressions allant de 100 à 450 millions d'atmosphères. Le phénomène résultait de la fusion d'ondes de choc se déplaçant à une vitesse de 150 à 220 kilomètres par seconde et traversant l'échantillon en environ neuf nanosecondes.

Les précisions obtenues sur l'équation d'état de la matière dans les naines DQ devraient permettre de mieux comprendre les pulsations que l'on observe avec ses naines blanches tout comme une meilleure compréhension de la composition d'un instrument de musique permet de mieux comprendre les sons qu'il produit.