Evolution stellaire sur la séquence principale

[elarwen]

Salut tout le monde

 

J'ai une question toute bête, mais à laquelle je ne trouve pas de vraie réponse sur internet.

Le soleil est supposé gagner environ 7% de luminosité chaque milliard d'année (source internet...), ce qui correspond grosso-modo à un doublement de sa luminosité au cours de son passage sur la séquence principale. D'ailleurs, ça correspond tellement bien à un doublement que je pense que c'est le cheminement inverse qui a été fait.

Il est possible de trouver par ailleurs des estimations de la luminosité suivant la masse d'une étoile, voire de poser ça sur la ZAMS (zero age main sequence).

 

Est-ce que quelqu'un peut me dire quelle est l'évolution dans le temps de la luminosité d'une étoile de masse M au cours de sa phase "séquence principale"?

 

Tout ce que je trouve, c'est des diagrammes HR approximatifs sur lesquels il semble qu'il y ait doublement ou triplement avant l'envolée vers la branche des géantes, sans qu'il n'y ait rien qui fasse consensus.

Ce que j'aimerais avoir à la fin, c'est une évolution dans le temps de la position de la "zone habitable" autour de l'étoile. Ce ne serait pas si compliqué que ça (en faisant abstraction des questions liées à la définition même de la zone habitable...) si je disposais de l'évolution de luminosité que je demande...

 

Merci tout le monde!

[Nadav]

La question est très intéressante mais je ne suis pas surpris que tu n'aies trouvé de réponse jusqu'ici. L'évolution des étoiles est très variable, dépend effectivement beaucoup de sa masse initiale mais pas seulement (présence de compagnons ou pas, dans le cas de transferts de masse par exemple). Sauf erreur je ne crois pas qu'il existe un type de formule fiable pour calculer la durée de vie sur la séquence principale en fonction de la masse, mais plutôt des estimations d'évolutions pour différentes catégories de masses d'étoiles. Comme tu le sais certainement les étoiles les moins massives restent incomparablement plus longtemps sur la séquence principale que les étoiles massives, mais les étoiles de tous types passeraient environ 90% de leur durée de vie sur la séquence principale.

 

Pour ce qui est de l'impact que cela a sur la zone habitable, je pense que la notion de zone habitable est assez récente et sujette elle aussi à beaucoup de spéculation, c'est une notion qui risque de beaucoup évoluer à l'avenir (voir peut être ne plus vouloir dire grand chose! avis perso)

[elarwen]

La question est très intéressante mais je ne suis pas surpris que tu n'aies trouvé de réponse jusqu'ici. L'évolution des étoiles est très variable, dépend effectivement beaucoup de sa masse initiale mais pas seulement (présence de compagnons ou pas, dans le cas de transferts de masse par exemple). Sauf erreur je ne crois pas qu'il existe un type de formule fiable pour calculer la durée de vie sur la séquence principale en fonction de la masse, mais plutôt des estimations d'évolutions pour différentes catégories de masses d'étoiles. Comme tu le sais certainement les étoiles les moins massives restent incomparablement plus longtemps sur la séquence principale que les étoiles massives, mais les étoiles de tous types passeraient environ 90% de leur durée de vie sur la séquence principale.

 

Pour ce qui est de l'impact que cela a sur la zone habitable, je pense que la notion de zone habitable est assez récente et sujette elle aussi à beaucoup de spéculation, c'est une notion qui risque de beaucoup évoluer à l'avenir (voir peut être ne plus vouloir dire grand chose! avis perso)

 

Salut Nadav

 

Effectivement, l’évolution des étoiles dépend de questions de transferts de masse, mais pour le problème qui m’occupe ce cas n’est pas « intéressant ». Il y a aussi les questions liées à la métallicité, mais fort heureusement un consensus se dégage sur ce point.

Pour bien faire comprendre ce que je veux ébaucher, je dois expliciter un peu ma démarche ! lol

 

En fait, je prépare une présentation sur les « zones habitables », destinée à la base aux membres du club d’astro dont je fais partie, et dont il pourrait y avoir une déclinaison grand public. Mon idée est de faire un truc « aux frontières de la vraie science » pour faire saisir à l’auditoire les écueils auxquels sont confrontés les chercheurs, comment ils les contournent, quels sont les choix parfois arbitraires qu’ils font et sur quoi ils les appuient… car enfin, quand ils nous disent « la planète bidule est dans la zone habitable de son étoile », que veulent-ils dire ? Ils construisent des « échelles d’habitabilité potentielle », mais comment font-ils ?

 

Lorsqu’une étoile naît, elle se stabilise sur la séquence principale, et passe ainsi 90% de sa vie à évoluer peu. Durant cette période, elle gonfle lentement, émet plus d’énergie. Par conséquent, quelle que soit la définition qu’on se choisit, la zone habitable s’éloigne de l’étoile. A quel rythme ? Où se trouvent les orbites qui restent dans la zone favorable « suffisamment longtemps » (et ça veut dire quoi, « suffisamment longtemps… )? Pour quelles étoiles en existe-t-il (masse, métallicité) ?

 

Une fois posé cela, il est assez facile de calculer, pour une planète située à une distance D d’une étoile de luminosité L, sa température « d’équilibre », celle qui fait que son rayonnement de corps noir coïncide avec l’énergie issue de son étoile et qu’elle absorbe (et qui dépend de l’albedo…). Pour la Terre, cette température est négative, et ne permet donc a priori pas le maintien d’eau liquide à sa surface : elle est sauvée par son effet de serre. Peut-on quantifier celui-ci ? Cela m’amènerait à parler de runaway greenhouse notamment. Quelle gamme d’effet de serre ou de pression atmosphérique peut-on juger « raisonnable » ? Ces questions d’effet de serre, plus ou moins prononcé élargissent la zone habitable.

Il existe un « indice d’habitabilité planétaire ». Comment se calcule-t-il ?

 

Comme tu le vois, il y a des écueils à tous les étages. J’ai trouvé pas mal de doc sur nombre de ces points, même si pour ça il a fallu que je lise 2-3 trucs en anglais et que je farfouille dans des thèses, et même si certains articles se contredisent entre eux (ce qui est intéressant en soi). Mais il me manque 2 points essentiels : cette vitesse d’évolution sur la séquence principale, et la construction chiffrée de l’indice d’habitabilité planétaire.

Mais tu as raison : tout cela ne se base que sur ce qu’on sait de la vie, et est appelé à beaucoup évoluer dans les prochaines décennies. D’ailleurs, l’exobiologie est un domaine qui vient à la mode parmi les biochimistes, ce qui contribue à la sortir du carcan « science-fiction » où elle était confinée jusqu’ici.

[SpaceJu]

Bonjour,

Ne pourrait-on pas imaginer remplacer le concept de zone habitable par celui de zone favorable à l'enclenchement des processus biologiques (tels que nous les connaissons bien entendu) ?

D'une part, cette zone ne serait pas statique mais dépendrait effectivement (pour simplifier à l'extrême) du couple rayonnement stellaire-composition atmosphérique initiale de la planète.

Ensuite, on peut imaginer que le processus biologique, une fois lancé, représente une capacité adaptative de la planète hôte par rapport au rayonnement de son étoile, et pourrait préserver son habitabilité en ayant élargi, grâce à sa biomasse et son écosystème, la palette de rétroactions vis-à-vis de son environnement stellaire. Dès lors, une planète pourrait demeurer habitable même après avoir quitté par l'intérieur la zone favorable initiale (jusqu'à une certaine limite mais compatible avec la plage de rayonnement de la séquence principale). Bien sûr, ceci n'étant valable qu'avec des évolutions très lentes, rien à voir avec l'actuel forçage anthropique !

 

Et pour relativiser encore la notion de zone habitable circumstellaire, si définie comme zone permettant à l'eau liquide d'exister : je crois avoir lu que lorsque sur terre l'eau s'est condensée et que les océans se sont formés, la température était encore de 300 degrés et la pression atmosphérique énorme... l'eau, oui, mais une habitabilité toute relative, non ?

[Qorche]

Bonjour,

 

la vitesse d'évolution sur la séquence principale est un exercice assez casse-gueule car l'évolution stellaire reste très, très spéculative. En général l'âge des étoiles n'est pas connu avec une grande précision. Sur un amas il est déterminé en ajustant une isochrone produit par un simulateur d'évolution stellaire, la métallicité de l'amas étant connue par spectroscopie.

 

Problème : pour pouvoir calculer en un temps raisonnable le calculateur d'évolution stellaire travaille en 1D hydrostatique. En gros les phénomènes convectifs sont "moyennés", la rotation (qui peut être assez rapide voire "aplatir" l'étoile avec plusieurs milliers de K de différence en température de surface) est négligée. Je ne parle pas de la MHD. On reste à "l'ordre 1", mais admettons que le résultat ne soit pas déconnant...

 

Même si les naines rouges ont une vitesse d'évolution favorable à l'épanouissement de la vie sur plusieurs milliards d'années, elles connaissent des éruptions et des variations de luminosité beaucoup plus violentes que celles du Soleil. Seule une planète dotée d'une atmosphère épaisse et d'un champ magnétique puissant pourrait ne pas se retrouver dépouillée de son atmosphère, comme Mars l'aurait été avec les éruptions de notre gentil soleil d'après des récentes publications.

 

Tu peux toujours trouver des programmes de calcul d'évolution stellaire sur Internet, le faire tourner avec les bons paramètres et constater par toi-même.

 

La construction d'un indice d'habitabilité planétaire me semble vouée à l'échec, car des contre-exemples planétaires (eux aussi spéculatifs, mais bon tant qu'on y est) viennent facilement à l'esprit.

 

Un planémo (planète errante) pourrait très bien abriter longtemps des formes de vie qui utiliseraient l'activité interne du corps, enfouis bien profondément dans une atmosphère très épaisse, et ce malgré une température effective de 15 ou 20 K. Pour rappel la température effective de Vénus est inférieure à celle de la Terre

 

Europe et Encelade, petits mais maintenus chauds à l'intérieur par les marées de leur planète hôte, pourraient également abriter des formes de vie. D'un autre côté des paléogéographes estiment que la Terre aussi pourrait avoir connu des périodes de glaciation totale...

 

En espérant ne pas t'avoir trop découragé...

[elarwen]

Salut Qorche

 

Merci pour ta réponse. Effectivement, il y a des "problèmes" à négliger, chaque étoile est un cas particulier. La rotation des étoiles est utilisée pour estimer leur âge d'après les publications que j'ai inspectées, mais il est difficile de savoir à quel point c'est fiable. Pour ma part, d'instinct, ça me parait assez fumeux dans l'ensemble.

 

 

Tu peux toujours trouver des programmes de calcul d'évolution stellaire sur Internet, le faire tourner avec les bons paramètres et constater par toi-même.

Ah? C'est tentant, ça!

Tu sais où trouver ça?