Séquence principale

Une fois qu'une étoile s'est formée, elle crée de l'énergie dans son cœur chaud et dense, par fusion nucléaire des noyaux d'hydrogène en noyaux d'hélium. Pendant cette période de la vie de l'étoile, elle se trouve sur la séquence principale du diagramme HR, à un point défini principalement par sa masse, avec quelques corrections dues essentiellement à sa composition chimique. La distribution des masses des étoiles nouvellement formées est décrite empiriquement par la fonction de masse initiale[13].

Toutes les étoiles de la séquence principale ont une région de cœur où l'énergie est produite par fusion nucléaire. La température et la densité de ce cœur sont à des niveaux suffisants pour entretenir la production d'énergie capable de soutenir le poids du reste de l'étoile. Une réduction de la production d'énergie produirait une compression par ce poids, ce qui rétablirait la production d'énergie à son niveau convenable, en raison de l'élévation de la pression et de la température. Inversement, un accroissement trop prononcé de la production d'énergie ferait gonfler l'étoile, diminuant ainsi la pression et la température du cœur. L'étoile forme donc un système auto-régulé en équilibre hydrostatique, stable tout au long de son séjour sur la séquence principale[14]. Toutes les étoiles de la séquence principale sont dans cet état stable, avec la pression thermique du cœur chaud qui équilibre la pression gravitationnelle des couches supérieures, et l'essentiel de leurs caractéristiques résultent de cet équilibre.

Diagramme de Hertzsprung-Russell, simplifié par groupes d'étoiles Type spectral Naine brunes Naines blanches Naine rouges Sous-naines Séquence principale ("naines") Sous-géantes Géantes Géantes lumineuses Supergéantes Hypergéantes Magnitude absolue (MV) Magnitude absolue

Les caractéristiques de l'étoile déterminent sa place dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, sur une courbe qui s'appelle la séquence principale standard. Les astronomes se réfèrent parfois à ce stade comme la séquence principale d'âge zéro (ZAMS, acronyme anglais pour Zero Age Main Sequence)[15]. La courbe ZAMS peut être calculée en utilisant des modèles numériques des propriétés stellaires au moment où l'étoile commence la fusion. À partir de ce point, la luminosité et la température de surface des étoiles augmentent en général avec l'âge[16] - [17].

La majorité des étoiles sur un diagramme HR typique se trouvent sur la séquence principale. Cette ligne est accentuée parce que le type spectral et la luminosité ne dépendent que de la masse de l'étoile, au moins en première approximation, tant que l'étoile accomplit la fusion de l'hydrogène dans son cœur – et c'est ce que font presque toutes les étoiles pendant la majorité de leur vie active [18].

La variation d'intensité lumineuse entre les étoiles les moins chaudes est assez importante pour différencier les naines (rouges, orange ou jaunes) des plus grosses. Cependant, pour les étoiles plus chaudes (blanches et bleues), la variation de taille et de luminosité n'est pas directement observable entre les étoiles. Pour cette raison, la nomenclature différencie les étoiles naines des géantes en se référant à la différence entre les spectres, dont les raies indiquent si l'étoile est sur la séquence principale ou en dehors. Néanmoins, des étoiles sur la séquence principale, même très chaudes et massives peuvent être appelées parfois naines[19].

D'autres facteurs contribuent à étaler la séquence principale sur le diagramme HR : incertitude sur la distance des étoiles, et présence d'étoiles binaires non résolues qui peuvent modifier les paramètres stellaires observés. Mais même une observation parfaite montrerait une séquence principale élargie, car la masse n'est pas le seul paramètre qui affecte la couleur et/ou la luminosité d'une étoile. Outre les variations en composition chimique – tant par l'abondance initiale que par l'évolution de l'étoile[20] – l'interaction avec un compagnon rapproché[21], une rotation rapide[22], ou un champ magnétique peut aussi changer la position d'une étoile légèrement sur le diagramme HR, pour citer quelques facteurs. Par exemple, il y a des étoiles très pauvres en éléments de numéro atomique supérieur à celui de l'hélium – ce sont les étoiles à faible métallicité – qui se trouvent juste en dessous de la séquence principale. Nommées sous-naines, ces étoiles effectuent la fusion de l'hydrogène dans leur cœur, et marquent la limite basse de la séquence principale, en ce qui concerne la composition chimique[23].

Une région presque verticale du diagramme HR, connue sous le nom de bande d'instabilité, est occupée par des étoiles variables pulsantes, notamment les céphéides. Ces étoiles varient en magnitude à intervalles réguliers, leur donnant une apparence pulsante. La bande coupe la partie supérieure de la séquence principale dans la région des classes A et F, entre 1 et 2 M_☉. Les étoiles variables dans la partie de la zone d'instabilité qui coupe la partie supérieure de la séquence principale sont appelées variables de type Delta Scuti. Les étoiles de la séquence principale de cette région ne subissent que des changements de faible amplitude en magnitude, et cette variation est donc difficile à détecter[24]. D'autres classes d'étoiles de la séquence principale instables, comme les variables de type beta Cephei – distinctes des céphéides – ne sont pas reliées à cette bande d'instabilité.

Ce graphique montre la quantité d'énergie (ε) produite dans le cœur des étoiles par les processus de fusion en fonction de la température (T). La ligne pointillée représente la production combinée par la chaîne pp et le cycle CNO.
La chaîne PP et le cycle CNO interviennent quand les étoiles se trouvent sur la séquence principale tandis que la réaction triple α s'établit après qu'elles en soient sorties et si leurs caractéristiques leur permettent de devenir des étoiles géantes. À la température actuelle du cœur du Soleil, la chaîne pp domine encore.

Les étoiles de la séquence principale produisent leur énergie par deux processus de fusion de l'hydrogène, et le taux de production d'énergie par chacun dépend de la température au cœur. Les astronomes divisent alors la séquence principale en parties supérieure et inférieure, en fonction du mécanisme exact de la réaction de fusion nucléaire qui domine :

Les étoiles au-dessous d'une fois et demie la masse du Soleil (1,5 M_☉) fusionnent surtout les noyaux d'hydrogène par fusion directe et désintégration β des isotopes de l'hydrogène : deutérium et tritium (chaîne pp). L'inférieure est celle où domine la chaîne pp[25] où les isotopes de l'hydrogène proton, deutérium et tritium fusionnent directement, le tritium subissant la désintégration β qui transforme lentement les protons en neutrons pour former les particules α.

C'est à une température de 18 millions de kelvins que le cycle CNO dépasse en productivité la chaîne pp. Ceci correspond à une étoile d'environ 1,5 M_☉. Ainsi, les étoiles F ou moins chaudes utilisent la chaîne pp, tandis que les A ou plus chaudes utilisent le cycle CNO[16]. La transition d'un mode de production à l'autre s'effectue sur un intervalle de moins de 1 M_☉ : dans le Soleil, seulement 1,5 % de l'énergie est produite par le cycle CNO[26]. Inversement, les étoiles de plus de 1,8 M_☉ tirent presque toute leur énergie du cycle CNO[27]. Au-dessus de cette masse, la température centrale devient suffisante pour permettre la fusion de protons avec des noyaux de carbone (C), azote (N) et oxygène (O), et une chaîne utilisant ces noyaux comme intermédiaires, restitués après la production d'un noyau d'hélium se met en route. C'est le cycle CNO, qui dépasse rapidement en importance la chaîne proton-proton. La supérieure est celle où domine le cycle CNO, où les protons fusionnent avec des noyaux plus lourds, carbone, azote et oxygène, qui subissent la désintégration β et finalement éjectent un α pour recommencer le cycle.

La limite supérieure observée pour les étoiles de la séquence principale est de 120 à 200 M_☉[28]. L'explication théorique pour cette limite est que les étoiles qui la dépassent ne peuvent pas rayonner l'énergie assez vite pour rester stables, si bien que toute masse additionnelle sera éjectée par une série de pulsations, jusqu'à ce que l'étoile atteigne une limite stable[29]. La limite inférieure pour une fusion nucléaire entretenue par la chaîne pp est d'environ 0,08 M_☉[25]. En dessous de cette masse, on trouve des objets sous-stellaires qui n'entretiennent pas la fusion de l'hydrogène, et que l'on appelle naines brunes[30].

Cette figure montre la coupe d'une étoile analogue au Soleil, montrant sa structure interne.

Comme il y a une différence de température entre le cœur et la surface, ou photosphère, l'énergie se propage vers l'extérieur. Les deux modes de transport de l'énergie sont la conduction et la convection. Dans la conduction, l'énergie est principalement transmise par rayonnement à ces températures. Une zone conductive est une zone stable par rapport à la convection, et il y a très peu de mélange de matière. Par contre, dans une zone convective, l'énergie est transportée par le plasma en mouvement : la matière est alternativement chauffée par le cœur et transportée vers l’extérieur, puis refroidie en surface par rayonnement et transportée vers l'intérieur. La convection est un mode plus efficace que la conduction pour le transport de l'énergie, mais elle n'aura lieu que dans des conditions qui créent un fort gradient de température, c'est-à-dire où la température varie rapidement avec la distance au centre[14] - [31], par exemple une valeur élevée de l'opacité thermique qui limiterait la conduction. La zone de convection est donc située dans les couches extérieures de l'étoile, dans une zone fortement chauffée a sa base par le cœur et refroidie a sa périphérie par la couche extérieure de l'étoile[32].

Dans les étoiles massives (au-dessus de 10 M_☉)[33], le taux de production d'énergie par le cycle CNO est très sensible à la température, si bien que la fusion est fortement concentrée dans le cœur. Donc il existe un fort gradient de température dans cette région, ce qui résulte en une zone convective assurant un meilleur transport de l'énergie[25]. Ce mélange de matière autour du cœur élimine l'hélium produit de la région fusionnant de l'hydrogène. Ceci permet à une fraction plus importante de l'hydrogène d'être consommée pendant le séjour sur la séquence principale. Par contre, les régions périphériques d'une étoile massive transportent l'énergie par conduction, avec pas ou peu de convection[14].

Pour les étoiles de masse plus faible, ce cœur convectif devient progressivement plus petit, et disparaît pour environ 2 M_☉. C'est le cas pour des étoiles de masse intermédiaire, comme Sirius, qui transportent l'énergie majoritairement par conduction, avec une petite zone convective près du cœur[34]. En dessous, les étoiles comme le Soleil sont conductives près du cœur, mais convectives près de la surface : le cœur stable envers la convection s'enrichit en hélium et s'entoure de couches riches en hydrogène mélangées par la convection.

Et pour les étoiles de masse encore plus réduite, on arrive à des étoiles dont la zone de convection occupe l'ensemble de la masse : les étoiles de très petite masse, peu chaudes (en dessous de 0,4 M_☉) sont convectives dans leur ensemble[13]. Ainsi l'hélium produit au cœur est réparti dans l'ensemble de l'étoile, produisant une atmosphère relativement uniforme, et une vie proportionnellement plus longue sur la séquence principale[14].

La relation masse-luminosité exacte dépend de l'efficacité du transport de l'énergie du cœur vers la surface. Une opacité plus élevée a un effet isolant, qui retient plus d'énergie près du cœur, si bien que l'étoile n'a pas besoin de produire autant d'énergie pour maintenir l'équilibre hydrostatique. Inversement, une opacité plus faible entraîne que l'énergie s'échappe plus facilement, et l'étoile doit consommer plus de matière fusible pour maintenir l'équilibre[35]. Remarquer, cependant, qu'une opacité suffisamment élevée peut déclencher le transport de l'énergie par convection, ce qui change les conditions nécessaires pour maintenir l'équilibre[16].

Dans les étoiles de haute masse sur la séquence principale, l'opacité est dominée par la diffusion par les électrons, qui ne dépend pratiquement pas de la température. Donc la luminosité n'augmente plus que comme le cube de la masse de l'étoile[36]. Pour les étoiles en dessous de 10 M_☉, l'opacité devient dépendante de la température, ce qui conduit à une variation de la luminosité approchant la 4^e puissance de la masse de l'étoile[37]. Pour les étoiles de très petite masse, les molécules dans l'atmosphère contribuent aussi à l'opacité. En dessous d'environ 0,5 M_☉, la luminosité de l'étoile varie comme la masse à la puissance 2,3, ce qui produit une diminution de la pente du graphique de la luminosité en fonction de la masse. Même ces raffinements ne sont cependant qu'une approximation, et la relation masse-luminosité peut dépendre de la composition de l'étoile[13].

Table de paramètres stellaires de la séquence principale[38]

Type spectral	${\displaystyle \scriptstyle R\,/\,R_{\odot }}$	${\displaystyle \scriptstyle M\,/\,M_{\odot }}$	${\displaystyle \scriptstyle L\,/\,L_{\odot }}$	K	Exemples[39]
	Rayon	Masse	Luminosité	Température
O5	18	40	500 000	38 000	Zeta Puppis
B0	7,4	18	20 000	30 000	Phi1 Orionis
B5	3,8	6,5	800	16 400	Pi Andromedae A
A0	2,5	3,2	80	10 800	Alpha Coronae Borealis A
A5	1,7	2,1	20	8 620	Beta Pictoris
F0	1,4	1,7	6	7 240	Gamma Virginis
F5	1,2	1,29	2,5	6 540	Eta Arietis (en)
G0	1,05	1,10	1,26	6 000	Beta Comae Berenices
G2	1,00[note 3]	1,00[note 3]	1,00[note 3]	5 750	Soleil
G5	0,93	0,93	0,79	5 560	Alpha Mensae
K0	0,85	0,78	0,40	5 150	70 Ophiuchi A
K5	0,74	0,69	0,16	4 640[40]	61 Cygni A
M0	0,63	0,47	0,063	3 920	Gliese 185[41]
M5	0,32	0,21	0,0079	3 120	EZ Aquarii A
M8	0,13	0,10	0,0008	~ 2 600	Étoile de Van Biesbroeck[42]

La température d'une étoile détermine son type spectral par son effet sur les propriétés physiques du plasma de sa photosphère. L'émission d'énergie d'une étoile en fonction de la longueur d'onde est influencée à la fois par la température et par la composition chimique. Un indicateur clé dans cette distribution d'énergie est donné par l'indice de couleur B − V, qui mesure la différence de magnitude apparente de l'étoile vue à travers un filtre standard bleu (B) et un filtre standard vert-jaune (V)[note 4]. Cette différence de magnitude constitue une mesure de la température de l'étoile.

Si l'on traite l'étoile comme un radiateur d'énergie idéal, connu sous le nom de corps noir, on peut relier la luminosité L et le rayon R à la température effective ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {eff} }}$ d'après la loi de Stefan-Boltzmann par :

${\displaystyle \scriptstyle L=4\pi \sigma R^{2}T_{\mathrm {eff} }^{4}}$

où σ est la constante de Stefan-Boltzmann. Comme la position d'une étoile sur le diagramme HR donne une évaluation de sa luminosité, cette relation peut être utilisée pour estimer son rayon[43].

Les valeurs de la luminosité (L), du rayon (R) et de la masse (M) sont relatives à celles du Soleil, une étoile naine de classification spectrale G2 V. Les valeurs réelles pour une étoile peuvent différer de 20 à 30 % des valeurs listées ci-contre[44].

variables utilisés dans les formules du paragraphe

Symbole	Grandeur représentée
${\displaystyle E}$	Énergie totale à produire sur la durée de vie de l'étoile
${\displaystyle M}$	Masse de l'étoile sur la séquence principale
${\displaystyle L}$	Luminosité de l'étoile sur la séquence principale
${\displaystyle M_{\odot }}$	Masse du soleil
${\displaystyle L_{\odot }}$	Luminosité du soleil
${\displaystyle \tau _{\mathrm {MS} }}$	Valeur estimée du temps de vie de l'étoile sur la séquence principale

La quantité totale d'énergie qu'une étoile peut produire par fusion nucléaire de l'hydrogène est limitée par la quantité d'hydrogène initialement disponible dans le cœur. Pour une étoile en équilibre, l'énergie produite au cœur est égale à l'énergie rayonnée en surface. La durée de vie d'une étoile peut donc être estimée, en première approximation, comme le rapport entre l'énergie totale qu'elle peut produire par fusion[48] et sa luminosité (la quantité d'énergie qu'elle rayonne par unité de temps)[49] :

${\displaystyle \tau _{\mathrm {MS} }\ =\ E/L}$

• la quantité d'hydrogène initialement disponible pour la fusion est proportionnelle à la masse de l'étoile : ${\displaystyle E\ \propto \ M}$ ;
• les étoiles de la séquence principale, dont la masse est entre 0,1 et 50 M_☉[50], suivent une loi empirique de corrélation où la luminosité est proportionnelle à une puissance de la masse[51] : ${\displaystyle L\ \propto \ M^{3,5}}$.

Ces deux rapports de proportionnalité associés donnent donc :

${\displaystyle \tau _{\mathrm {MS} }\ \propto \ M^{-2,5}}$

Le temps de vie d'une étoile sur la séquence principale peut alors être estimé à partir de l'évolution connue et prévue du Soleil : il a été sur la séquence principale pendant environ 4,5 milliards d'années, et la quittera pour devenir une géante rouge dans 6,5 milliards d'années[52], soit un temps de vie total sur la séquence principale approché de 10¹⁰ ans. D'où l'approximation[53] :

Ce diagramme donne un exemple de la relation masse-luminosité pour des étoiles d'âge zéro sur la séquence principale (ZAMS). La masse et la luminosité se rapportent au Soleil actuel.

${\displaystyle \tau _{\mathrm {MS} }\ \approx \ 10^{10}\,\mathrm {ans} \ \left({\frac {M}{M_{\odot }}}\right)^{-2{,}5}}$

La puissance négative indique que le temps de vie sur la séquence principale de l'étoile varie en relation inverse avec sa masse. Une étoile sur la séquence principale est en première approximation une boule de gaz et de plasma dans laquelle la tendance à l’effondrement due à la gravité est contrebalancée par la tendance à l'inflation due à la pression de radiation. Pour une étoile massive, disposant de plus d'hydrogène à fusionner, cet équilibre est atteint pour une température du cœur nettement plus élevée, ce qui induit une vitesse de fusion très élevée : en quelque sorte, une étoile massive a un réservoir plus grand qu'une étoile de masse faible mais consomme beaucoup plus, elle a finalement une autonomie bien moindre.

Les étoiles les plus massives peuvent ainsi ne rester sur la séquence principale que quelques millions d'années, tandis que les étoiles de masse inférieure à 0,1 M_☉ peuvent y rester plus de mille milliards (10¹² années)[54].

Quand tout le combustible hydrogène du cœur a été consommé, l'étoile évolue en s'écartant de la séquence principale sur le diagramme HR. Le comportement d'une étoile dépend alors de sa masse : les étoiles de moins de 0,23 M_☉ deviennent des naines blanches, tandis que celles ayant jusqu'à 10 M_☉ passent par une étape de géante rouge[55]. Les étoiles plus massives peuvent exploser en supernova[56], ou s'effondrer directement en un trou noir.

Quand une étoile de la séquence principale a consommé l'hydrogène de son cœur, le ralentissement de la production d'énergie conduit l'effondrement gravitationnel à repartir. En ce qui concerne les étoiles de moins de 0,23 M_☉[55], il est prévu qu'elles deviennent des naines blanches une fois que la production d'énergie par fusion nucléaire cessera, mais le processus est si lent qu'il leur faut plus que l'âge actuel de l'Univers.

Pour une étoile d'au moins 0,5 M_☉[57], une fois que la réserve d'hydrogène dans le cœur est épuisée, elle gonfle pour devenir une géante, atteindre une température suffisante pour déclencher la fusion des noyaux d'hélium en carbone par le processus 3α[58] - [59]. Les étoiles avec plus de 5–7,5 M_☉ peuvent aussi fusionner des éléments de plus haut numéro atomique[60] - [61].

La production d'énergie de cette voie par unité de masse n'est qu'un dixième de celle de l'hydrogène, et la luminosité de l'étoile s'accroît[36]. Ce stade de géante est plus bref que celui de la séquence principale : par exemple, le Soleil ne devrait rester que 130 millions d'années à ce stade, à comparer aux 10 milliards passés à fusionner l'hydrogène[62].

Dans les étoiles plus massives, jusqu'à 10 M_☉, l'hydrogène entourant le cœur d'hélium atteint une température et une pression suffisantes pour subir la fusion, ce qui forme une couche de fusion de l'hydrogène. En conséquence, l'enveloppe externe de l'étoile se détend et se refroidit, et l'étoile devient une géante rouge. À ce point, l'étoile quitte donc la séquence principale et entre dans la branche des géantes. Elle suit une trajectoire d'évolution dans le diagramme de HR en diagonale opposée à la séquence principale, vers le haut à droite. C'est sa trajectoire d'évolution.

Le cœur d'hélium continue à se contracter, jusqu'à ce qu'il soit entièrement supporté par la pression de dégénérescence des électrons – un effet quantique qui limite la compression de la matière.

Pour les étoiles de 10 M_☉ ou plus, ce processus pourrait conduire à un cœur toujours plus dense, qui finalement s'effondre, éjectant les couches externes en une explosion de supernova, de type II[56], de type Ib ou de type Ic.

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Main sequence » (voir la liste des auteurs).

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• Naissance des étoiles
• Diagramme de Hertzsprung-Russell
• Nucléosynthèse stellaire
• Structure d'une étoile