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       - La naissance des astres  
    Hors série - Science & Vie - 1998-12-01      
    Issues d'immenses nuages galactiques de gaz et de poussière, étoiles et planètes sont apparues sous l'action de la gravitation. Voici le scénario probable de leur formation.  
    L'Univers est régi par bien des forces. Mais pour les astronomes, la gravitation est sans conteste la plus importante. Comme son effet s'accumule avec la masse, elle finit presque toujours par dicter sa loi. C'est elle qui permet aux galaxies de conserver leur cohésion. Elle domine tous les objets, astéroïdes, comètes, planètes ou étoiles, dont le diamètre dépasse 100 km. Elle s'exerce de manière déterminante sur les corps encore plus petits, quand ceux-ci tombent dans la sphère d'influence des premiers.  
    Dans ces conditions, il est aisé d'imaginer comment l'accumulation de matière, en certains endroits du cosmos, a irrémédiablement abouti à la formation d'étoiles, de planètes et d'autres corps plus modestes. Mais la partie est moins simple qu'il n'y parait et la domination de la gravitation ne s'exerce pas sans difficulté.  
    Toutes les étoiles naissent à partir de nuages de gaz et de poussière qui s'étendent dans les galaxies. Ces nuages, appelés nébuleuses par les astronomes, sont très peu denses tout au plus quelques milliers d'atomes par centimètre cube. Par comparaison, l'atmosphère terrestre atteint cent milliards de milliards d'atomes par centimètre cube. Malgré tout, les nébuleuses s'étendent sur des dizaines d'années-lumière, ce qui leur donne une masse colossale, qui équivaut à quelques centaines de fois celle du Soleil. Tout semble donc concourir à une prise de contrôle de la situation par la gravitation, puisque ses effets sont d'autant plus puissants que la masse augmente. En se plaçant dans le cas simple d'une nébuleuse parfaitement sphérique, les atomes qui se trouvent sur les bords de la nébuleuse seront irrésistiblement attirés par la totalité des atomes situés au centre. Ces derniers agissent exactement comme un corps massif unique. Si leur masse totale atteint par exemple 500 fois celle du Soleil, l'atonie situé en périphérie subira exactement l'influence d'un champ gravitationnel correspondant à un astre (groupe d'étoiles, ou trou noir) de 500 masses solaires. La gravitation commence ainsi son oeuvre, en faisant s'effondrer la nébuleuse sur elle-même,  
   

Un long bras de fer

 
    Cependant, la partie n'est pas gagnée. Car une autre force s'oppose à la gravitation : la pression interne du gaz constitué par l'ensemble des atomes de la nébuleuse. Cette force pousse au contraire le nuage à se diluer dans le vide, où la pression est nulle. Dans la lutte que se livrent la pression interne et la gravitation, qui va l'emporter ! Tout dépend des conditions. Depuis le début du siècle, grâce aux travaux du physicien anglais sir Jeans Hopwood, on sait que pour l'emporter, la gravitation doit entraîner les atomes du gaz à une vitesse supérieure à celle du son Ainsi, "il existe pour le gaz interstellaire une masse critique en deçà de laquelle l'effondrement sera stoppé et au-delà de laquelle rien ne pourra s ï opposer précise Alfred Vidal-Madjar, de l'Institut d'astrophysique de Paris. Cette masse est telle que l'attraction provoquée entraîne vers son centre les atonies à une vitesse supérieure à celle du son". Or, la vitesse du son n'est pas une grandeur fixe. Elle augmente lorsque, sous l'effet de l'effondrement, la densité du nuage s'accroît, Il aura donc forcément un moment où - lorsque la vitesse du son dépasse celle de l'effondrement - la gravitation va perdre la partie face à la pression, et où l'effondrement va cesser. Mais le phénomène tend alors à jouer en sens inverse. Dès que les atomes cessent de chuter vers le centre et sont repoussés vers l'extérieur de la nébuleuse, la densité diminue en effet à nouveau, de même que la vitesse du son. La gravité va alors à nouveau reprendre le dessus… Si cet équilibre s'instaure trop tôt, après une courte contraction, la nébuleuse se stabilise et ne s'effondre jamais. Elle ne donnera naissance à aucune étoile. La plupart des nuages resteraient donc a priori liés par leur propre gravité mais éviteraient l'effondrement. Le processus de formation des étoiles serait malgré lotit amorcé de temps en temps, par l'explosion d'une supernova proche, ou par la traversée d'un bras spirale d'une galaxie. Dans les deux cas, la pression extérieure subie par le nuage (provoquée par une onde de choc) viendrait en renfort à la gravitation et favoriserait l'effondrement. En dehors de ces cas, les astrophysiciens savent calculer la masse critique que doivent atteindre les nuages interstellaires pour se contracter seuls de l'ordre de 1'000 fois celle d'une étoile de taille moyenne.  
    Cela pose un problème car si lei est le cas, il ne pourrait jamais se former d'étoiles de masses inférieures. Or on observe exactement le contraire il n'existe pas une seule étoile aussi massive. En revanche, les astronomes ont constaté que les étoiles ne naissaient pas isolées mais en groupes. Et la somme de leurs masses correspond à la masse critique à partir de laquelle les nébuleuses peuvent s'effondrer.  
    Pourquoi se forme-t-il des multitudes de "petites étoiles "au lieu d'une seule énorme ? La réponse n'est pas encore claire. Les astronomes ont constaté que les nuages de gaz interstellaires étaient animés d'un mouvement de rotation sur eux-mêmes. Cette "quantité de rotation", ou moment cinétique, se conserve quoi qu'il arrive. Cela signifie que si une contraction a lieu, le diamètre du nuage étant plus petit, sa vitesse de rotation sur lui-même augmente. Dans de telles circonstances, le nuage devrait irrémédiablement s'éparpiller dans l'espace, la gravitation en sortant définitivement vaincue. En fait, la plupart du temps, les nuages sont parcourus par des lignes de champ magnétiques galactiques. Les gaz ionisés ont alors tendance à suivre ces lignes et à s'échapper vers l'extérieur, emportant avec eux l'excédent de moment cinétique, ce qui a pour effet de freiner la rotation du nuage et de faciliter son effondrement. Mais le principal allié de la gravitation à ce stade est la fragmentation du nuage en plusieurs petits globules denses. Ce mécanisme, encore incompris, permet au moment cinétique de passer dans un mouvement orbital plutôt que dans la rotation du nuage, qui continue de ralentir.  
    Ces globules sont assez denses et animés d'une vitesse d'effondrement suffisante pour que le processus de contraction se poursuive. Chacun d'eux donnera naissance à une étoile. Associés par deux ou par trois, ils constituent souvent des systèmes stellaires multiples. En leur sein, la gravitation peut s'exercer sans qu'aucune barrière ne vienne entraver son entreprise. Lorsque le noyau gazeux est assez dense pour qu'il ait l'apparence d'une sphère opaque, la pression augmente, se traduisant simultanément par une hausse de la température. De nouveau, la gravitation, qui comprime et attire les atomes de gaz vers le centre de l'astre naissant, va rencontrer l'opposition de la pression interne, due à l'agitation thermique des particules de gaz (électrons et noyaux atomiques). Celle-ci est d'autant plus puissante que la température augmente. Cela signifie que les électrons s'agitent de plus en plus, jusqu'à échapper aux noyaux et à circuler librement dans les espaces auparavant occupés par les atomes. Plus la température augmente, plus les atomes sont resserrés. A 15 millions de degrés, au centre de l'astre, les particules agitées sont si proches les unes des autres qu'elles entrent de temps en temps en collision. Quand c'est le cas, deux noyaux peuvent se rapprocher tellement l'un de l'autre qu'ils arrivent à vaincre la force de répulsion électrostatique. A ce moment-là, c'est la force nucléaire, irrésistible à ces petites distances, qui l'emporte les deux noyaux fusionnent et n'en font plus qu'un, d'une masse très légèrement inférieure à leur masse totale initiale. La part qui manque a été transformée en énergie émise sous forme de photon gamma. La première force qui engendre la production d'énergie par les étoiles en formation est donc la gravitation. Une étoile se met à rayonner parce que la gravitation l'a fait s'échauffer et que des réactions nucléaires ont débuté.  
    La vie de l'étoile se poursuit dans un équilibre entre l'énergie rayonnée par la fusion des éléments et la gravitation. Si la masse initiale de l'astre dépasse sept fois celle du Soleil, les fusions d'éléments de plus en plus stables se succèdent jusqu'à une fin cataclysmique l'explosion de supernova.  
   

Une autre force d'opposition

 
    Mais à ce scénario de formation d'étoiles s'oppose toujours le problème du moment cinétique. Les astres sont en rotation sur eux-mêmes, comme l'étaient les nuages dont ils sont issus. Leur effondrement se traduisant par une diminution de leur rayon, leur vitesse de rotation devrait augmenter au point de vaincre la gravitation et faire se disperser la matière dans l'espace. Or l'observation montre que les étoiles tournent très lentement sur elles-mêmes. "Le seul moyen de ralentir ainsi une étoile consiste à lui faire perdre de la masse, dit Alain Lecavelier des Étangs, de l'institut d'astrophysique de Paris. Et c'est ce qui a été vu sur des astres très jeunes, appelés objets de Herbig-Haro : des jets de matière se créent sur l'axe des pôles". Le mécanisme d'éjection demeure encore mystérieux mais en freinant la rotation, il vient en aide à la gravitation et permet aux étoiles de voir le jour.  
    Cependant, toute la matière du nuage gazeux initial ne vient pas s'accréter dans l'objet central. Une petite partie reste en rotation autour. Les grains de poussière et le gaz de ce nuage ont tendance à se regrouper dans le même plan, et finissent par former un disque. Comme le gaz est attiré vers l'étoile, il chute lentement en spirale. Mais au bout d'un moment, la pression devient légèrement plus forte et s'oppose à la gravitation. Elle en atténue les effets, si bien que le gaz continue à tourner autour de l'étoile à une vitesse inférieure à ce qu'elle devrait être : comme si l'astre central était en réalité moins massif  
    Simultanément, les grains de poussière s'agglomèrent par simples rencontres et grossissent. La gravitation ne joue aucun rôle dans cette phase. Lorsque les grains ont environ un million de fois la masse des molécules de gaz ambiant, ils deviennent indépendants de celles-ci et ne sont donc plus "soutenus "par la pression. Ils se mettent alors à tomber vers l'étoile sur une trajectoire en spirale. Ils acquièrent donc une vitesse de rotation plus rapide que le gaz, conforme à la masse réelle de l'étoile centrale. Leur vitesse plus élevée favorise encore plus les rencontres, de sorte qu'ils continuent à grossir. Un million d'années après que l'étoile ait débuté ses réactions de fusion, le disque qui l'entoure est peuplé de blocs d'un kilomètre de diamètre. Le frottement du gai étant négligeable sur des objets de cette taille, ils cessent de spiraler et se satellisent sur des orbites moins "dangereuses". A ce moment, chacun de ces petits corps commence à avoir une gravite propre. Celle-ci reste encore faible. Mais les rencontres se poursuivant, certains d'entre eux atteignent des tailles respectables et deviennent des planètes.  
    Cette phase ne s'éternise guère. En moins de dix millions d'années, dans le Système solaire, s'était formé un noyau rocheux dix fois plus massif que la Terre, dont la gravité a été assez puissante pour happer le gaz résiduel de la nébuleuse primitive et devenir Jupiter.  
    Dans la formation des planètes, la gravitation ne joue donc qu'un rôle tardif. L'essentiel du processus repose sur les rencontres fortuites des grains de poussières, puis des roches présentes au sein des disques protoplanétaires.  
    Ce n'est que plus tard que la gravitation intervient, notamment par le phénomène des résonances entre planètes "C'est l'un des effets surprenants de la gravitation, dit Alain Lecavelier des Étangs, car l'attraction entre deux corps s'exerce de telle manière qu'elle équivaut à une répulsion. De cette manière, Neptune a repousse Pluton sur une orbite plus lointaine qu'elle ne l'était à l'origine".  
    Si les galaxies et les étoiles sont bien l'ouvre directe de la gravitation, les planètes résultent ainsi davantage du mouvement de rotation des nébuleuses, qui combat l'action de la gravitation. C'est cette opposition qui a, entre autres, donné naissance au Système solaire.  
               
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