Imaginez les braises d'un feu de camp qui s'atténuent lentement avec le temps. C’est le sort auquel sont confrontées la plupart des étoiles de l’univers. Une fois leur combustible nucléaire épuisé, 98 % des étoiles, y compris notre Soleil, deviendront éventuellement des naines blanches. On pense que ces petits restes denses se refroidissent simplement, devenant de plus en plus faibles à mesure que l'univers vieillit.

En 2019, des astronomes ont découvert un groupe de naines blanches qui ont mystérieusement arrêté de se refroidir. Ces étoiles « éternellement jeunes » restent à une température de surface quasi constante pendant au moins huit milliards d'années, une durée incroyable si l'on considère que l'univers a 13,8 milliards d'années.

Quelque chose alimente ces étoiles de l’intérieur, mais étant donné qu’elles n’ont plus de source de combustible nucléaire, les scientifiques ne savaient pas ce qui pouvait les faire briller si brillamment. Notre recherche, récemment publiée dans Nature , présente la solution à cette énigme.

Grâce aux informations recueillies par l'observatoire spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne, les chercheurs ont découvert que certaines naines blanches arrêtent essentiellement de se refroidir.

En étudiant la répartition des naines blanches en fonction de la température (du chaud au froid) dans les données Gaia, les astronomes ont remarqué une accumulation de naines blanches à des températures intermédiaires. Cela indique que certaines naines blanches passent plus de temps à ces températures intermédiaires, soit huit milliards d'années de plus que ce que l'on pensait possible.

Cristaux stellaires

Les naines blanches sont bizarres. Une simple cuillère à café de matière provenant de leur noyau pèse plusieurs tonnes. Sous des densités aussi extrêmes, la matière peut se comporter étrangement. Même si l’intérieur des naines blanches est chaud à des millions de degrés, la densité est suffisamment élevée pour qu’elles puissent geler à l’état solide. Ils forment des cristaux à partir du carbone, de l'oxygène et d'autres éléments présents à l'intérieur.

La formation de ces cristaux commence normalement au centre de l’étoile, là où la densité est la plus élevée. À mesure que la naine blanche se refroidit, davantage de cristaux se forment en couches successives jusqu'à ce que presque toute l'étoile soit complètement solide.

Cependant, cette cristallisation inversée ne s’applique pas à toutes les naines blanches. Nous avons découvert que les éléments les plus lourds présents dans les naines blanches sont expulsés des cristaux au fur et à mesure de leur formation, tout comme le sel est expulsé des cristaux de glace lorsque l'eau de mer gèle.

Les cristaux deviennent moins denses que leur environnement et flottent comme des glaçons dans un verre d'eau. Comme les cristaux ne restent pas en place, le noyau ne peut pas simplement geler de l'intérieur vers l'extérieur.

Les mouvements créés par les cristaux flottants remanient les couches chimiques à l’intérieur de l’étoile. Progressivement, les éléments les plus lourds sont transportés vers le centre. Cela libère un flux constant d'énergie gravitationnelle qui maintient l'étoile brillante à une température quasi constante pendant des milliards d'années.

Les cristaux flottants peuvent interrompre le processus de vieillissement stellaire, fournissant ainsi une source d'énergie finale aux étoiles autrement mortes.

L'exception ou la règle ?

Jusqu’à présent, cette pause de refroidissement n’a été identifiée de manière concluante que pour une petite fraction de la population des naines blanches. Les masses élevées et les compositions particulières de ces naines blanches anormales suggèrent qu’elles ont eu des histoires assez violentes. Très probablement, ils sont le produit de fusions stellaires, d'événements au cours desquels deux étoiles entrent en collision et se combinent.

Mais ce n’est peut-être que la pointe de l’iceberg. Sur la base de nos découvertes, nous pensons que presque toutes les naines blanches, et pas seulement celles fusionnées, connaissent une pause de refroidissement au cours de leur évolution. Cependant, cette pause de refroidissement plus universelle serait beaucoup plus courte que l'interruption de plusieurs milliards d'années étudiée jusqu'à présent.

Des observations sont en cours pour tenter d'identifier cette pause de refroidissement plus courte dans le reste de la population de naines blanches.

Horloges cosmiques

Ces découvertes ont des implications pour l’archéologie stellaire. Plus la naine blanche est froide, plus elle doit être âgée. Tout comme les archéologues utilisent la datation au carbone 14 pour déterminer l'âge des artefacts et reconstruire l'histoire d'une ville ou d'une civilisation, les astronomes s'appuient sur le refroidissement des naines blanches pour mesurer l'âge des étoiles et comprendre l'histoire de notre galaxie, la Voie lactée.

Notre découverte rend les choses plus compliquées. Une naine blanche présentant une certaine température pourrait avoir des milliards d’années de plus qu’on ne le pensait initialement en raison de la formation de ces cristaux flottants. La clé est maintenant de déterminer quelles étoiles subissent cette pause de refroidissement et lesquelles ne le font pas.