Luminosité d’une étoile

Les étoiles émettent une énorme quantité d’énergie dans l’espace, presque entièrement représentée par différents types de rayons. L’énergie rayonnante totale émise au cours d’une période donnée correspond à la luminosité de l’étoile. La luminosité est très importante pour l’étude des luminaires car elle dépend de toutes les caractéristiques de l’étoile.

Les simples subtilités de la luminosité

La première chose à noter lorsqu’on parle de la luminosité d’une étoile est qu’il est facile de la confondre avec d’autres paramètres de la luminosité. Mais en fait, tout est très simple, il suffit de savoir à quoi correspond chaque caractéristique.

La luminosité d’une étoile (L) reflète principalement la quantité d’énergie émise par l’étoile — et se mesure donc en watts, comme toute autre caractéristique quantitative de l’énergie. C’est une grandeur objective : elle ne change pas lorsque l’observateur se déplace. Pour le Soleil, ce paramètre est de 3,82 × 10 10 26 W. L’éclat de notre luminosité est souvent utilisé pour mesurer la luminosité d’autres étoiles, ce qui est beaucoup plus pratique pour les comparaisons — elle est alors notée L_☉(☉ est le symbole graphique du Soleil).

La luminosité est souvent confondue avec la magnitude stellaire apparente (m), qui décrit la quantité d’énergie visible par un observateur — en d’autres termes, la luminosité d’un objet en un point donné de l’Univers. (Ce paramètre est également appelé luminosité). La magnitude stellaire est sans dimension — elle est mesurée en unités conventionnelles, et plus la valeur est petite, plus l’objet est brillant. La magnitude est également subjective : la distance de l’objet lumineux a plus d’importance que sa luminosité réelle.

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L’étoile Arcturus vue de la Terre. Auteur de la photo F. Espenak.

De toute évidence, la caractéristique la plus instructive et la plus universelle est la luminosité. Comme ce paramètre indique l’intensité du rayonnement d’une étoile de la manière la plus détaillée, il peut être utilisé pour découvrir de nombreuses caractéristiques d’une étoile, depuis sa taille et sa masse jusqu’à l’intensité des réactions nucléaires.

Luminosité de A à Z

Il ne faut pas longtemps pour trouver la source de rayonnement d’une étoile. Toute l’énergie qui peut quitter le luminaire est créée dans le processus de fusion thermonucléaire au cœur de l’étoile. Les atomes d’hydrogène qui fusionnent sous la pression gravitationnelle pour former de l’hélium libèrent d’énormes quantités d’énergie. Et dans les étoiles plus massives, ce n’est pas seulement l’hydrogène, mais aussi l’hélium et parfois même des éléments plus massifs, jusqu’au fer, qui «brûlent». L’énergie est alors beaucoup plus importante.

La quantité d’énergie libérée lors d’une réaction nucléaire dépend directement de la masse de l’étoile : plus elle est grande, plus la gravité comprime le cœur du luminaire, et plus l’hydrogène se transforme simultanément en hélium. Mais l’énergie nucléaire n’est pas la seule à déterminer la luminosité de l’étoile : il faut encore qu’elle soit rayonnée vers l’extérieur.

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C’est là que la zone de rayonnement entre en jeu. Son influence dans le processus de transfert d’énergie est très importante, ce qui est facilement vérifiable même dans la vie de tous les jours. Une ampoule dont le filament s’échauffe à 2 800 °C ne modifie pas sensiblement la température ambiante pendant 8 heures de fonctionnement, alors qu’une batterie classique dont la température est comprise entre 50 et 80 °C réchauffe la pièce au point de la rendre étouffante. La différence d’efficacité est due à la différence de surface rayonnant de l’énergie.

Le rapport entre la surface du cœur d’une étoile et sa surface est souvent comparable aux proportions entre le filament d’une ampoule et une pile. Le cœur d’une supergéante rouge peut être aussi petit qu’un dix-millième du diamètre total de l’étoile. La luminosité d’une étoile est donc fortement influencée par la surface de rayonnement, c’est-à-dire la surface de l’étoile elle-même. La température n’est pas si importante ici. La chaleur de la surface de l’étoile Aldebaran est inférieure de 40 % à la température de la photosphère du Soleil — mais en raison de sa grande taille, sa luminosité est 150 fois supérieure à celle du Soleil.

Ainsi, pour calculer la luminosité d’une étoile, la taille est-elle plus importante que la température et l’énergie du noyau ? En fait, non. Les géantes bleues ayant une luminosité et une température élevées ont une luminosité similaire à celle des supergéantes rouges, dont la taille est beaucoup plus importante. En outre, l’étoile la plus massive et l’une des plus chaudes, R136a1, a la luminosité la plus élevée de toutes les étoiles connues. Jusqu’à ce qu’un nouveau record soit découvert, cela met fin au débat sur le paramètre le plus important de la luminosité.

Utilisation de la luminosité en astronomie

Diagramme de Hertzsprung-Russell

La luminosité est donc un reflet assez précis de l’énergie d’une étoile et de sa surface, c’est pourquoi elle est utilisée dans de nombreux diagrammes de classification utilisés par les astronomes pour comparer les étoiles. Parmi eux, le diagramme de Hertzsprung-Russell, qui montre des schémas intéressants dans la distribution des étoiles dans l’Univers — par exemple, il est facile de déterminer l’âge d’une étoile. La classification spectrale de Yerkes des étoiles est également basée sur la luminosité — c’est là qu’apparaissent les termes «naines blanches» ou «supergéantes».

Le paragraphe précédent mentionnait l’influence de la température d’une étoile sur sa luminosité. Les astronomes utilisent cette dépendance pour déterminer les paramètres d’une étoile, en particulier lorsque la couleur, l’indicateur le plus précis de la chaleur de l’objet, est déformée par la gravité. Par ailleurs, la luminosité d’une étoile est indirectement liée à sa composition. Moins il y a d’éléments plus lourds que l’hélium et l’hydrogène dans la substance du luminaire, plus celui-ci peut gagner en masse — une caractéristique essentielle pour déterminer la luminosité de l’étoile.

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Date de publication: 12-26-2023

Mettre à jour la date: 12-26-2023