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De la duplicité des novae

Jean-Louis TRUDEL

Cyberdreams n°5, janvier 1996

     Dans Soleil fou, un roman récent d'Alain le Bussy paru au Fleuve Noir Anticipation, l'auteur mettait en scène une planète condamnée par la transformation de son soleil en nova. Comme idée, c'est presque un lieu commun de la Science-Fiction : on pourrait citer Polymath de John Brunner (1963 / 1974) ou un épisode du roman The Ship Who Sang (1969) d'Anne McCaffrey aussi bien que cent ou mille autres œuvres qui reposent sur le même ressort dramatique. L'élément-clé dans les ouvrages d'Alain le Bussy, Brunner et McCaffrey, c'est la surprise. La nova étant un phénomène incompréhensible, elle est imprévisible. Les planètes habitées qui dépendaient de l'éclat immuable d'un soleil comme le nôtre sont soudainement menacées par un suicide stellaire apocalyptique.
     Hélas, si on pouvait admettre il y a trente ans que l'étoile d'une planète habitable puisse se transformer inopinément en nova, il n'y a plus aucune raison de l'accepter aujourd'hui. Au cours des trente dernières années, les astronomes ont confirmé une intuition fondamentale qui avait commencé à se dégager entre 1954 et 1964 : toutes les novae sont le résultat d'interactions mettant aux prises les deux composantes d'une étoile double. En fin de compte, l'univers est beaucoup plus compréhensible et rassurant qu'on le croyait il y a cinquante ans. Nul besoin de craindre maintenant qu'une étoile comme le Soleil puisse devenir à l'improviste un père indigne consumant ses enfants. Ainsi, ce lieu commun d'autrefois constitue aujourd'hui une erreur inexplicable, voire impardonnable, dans une œuvre de Science-Fiction sérieuse.
     Mais il ne faut pas s'étonner que les auteurs de Science-Fiction rechignent à le rayer de leur répertoire, car la nécessité d'une évacuation en catastrophe abonde en amorces de situations palpitantes et l'univers est beaucoup plus intéressant quand il recèle un peu d'imprévu.
     Toutefois, c'est dès le début qu'on a considéré les novae comme des événements exceptionnels et dérangeants, presque menaçants. Les premières observations de novae proviennent de Chine où les astrologues impériaux scrutaient attentivement les cieux à la recherche de signes fastes et néfastes. Les k'o-hsing (les « invitées stellaires ») faisaient partie des phénomènes surveillés ; ces invitées célestes pouvaient être des supernovae, des novae ou, moins souvent, des comètes sans queue. Si on exclut une référence douteuse remontant à la dynastie Shang du second millénaire avant notre ère ainsi que les observations trop imprécises pour nous éclairer quant à leur véritable nature, la première nova aurait été observée en 70 A. D. et la première supernova en 185 A. D. Cependant, la plus vieille nova connue demeure pour l'instant celle de 1670 dans la constellation du Petit Renard, même si certains astronomes ont émis récemment des doutes quant à cette identification.
     En fait, le sujet des novae abonde en confusions. L'origine du mot remonte au temps de Tycho Brahé et Johannes Kepler qui avaient observé en 1572 et 1604 l'apparition de deux nouvelles étoiles dans le ciel, incitant Kepler à rédiger un traité intitulé De Nova Stella in Pede Serpentarii sur la « nouvelle » étoile de 1604. C'est de l'expression latine Nova Stella que provient le mot employé aujourd'hui. Cependant, ces deux nouvelles étoiles correspondaient à ce qu'on appelle aujourd'hui les supernovae. Comme il n'y a pas eu de supernova visible dans notre galaxie depuis l'avènement de l'astronomie moderne, les astronomes ont cru pendant des siècles à un phénomène unique, englobant ce qu'on appelle aujourd'hui les novae et les supernovae. Il a fallu accumuler les observations de novae dans les autres galaxies, à partir de 1885, puis évaluer correctement l'éloignement réel des autres galaxies dans le ciel avant de comprendre que certaines novae observées dans ces « nébuleuses » lointaines étaient un phénomène d'une toute autre nature que les novae galactiques. En 1937, Zwicky et Baade leur donnèrent le nom de supernovae.
     En 1957, Cecilia Payne-Gaposchkin avait défini et identifié le sujet qui nous intéresse dans un livre intitulé The Galactic Novae puisque toutes les « nouvelles étoiles » observées dans notre galaxie depuis Kepler étaient des novae. Ce qu'on savait alors de ces novae se réduisait surtout aux observations empiriques de leur éclat variable et de leur spectre. Par contre, même si on ne manquait pas de théories, rien n'était moins certain que les causes de ces explosions cosmiques. Cette incertitude a alimenté, comme on l'a vu, l'imagination de toute une génération d'auteurs de Science-Fiction.
     Il faut se rappeler qu'il n'y a pas grand-chose à voir. Une nova, c'est d'habitude un point faiblement lumineux dans le ciel dont l'éclat augmente très vite et très soudainement, en moins de soixante-douze heures. L'intensité lumineuse dans le spectre visible atteint un maximum puis décroît lentement. En moins de dix jours, pour les novae les plus rapides, ou sur près de huit à neuf mois, pour les moins rapides, l'astre reviendra plus ou moins à son éclat initial.
     En général, l'astre responsable n'a jamais attiré l'attention des astronomes avant la nova. Durant la nova, on ne peut observer qu'une couche de gaz incandescents en expansion qui cachent la source du phénomène en son centre. Après la nova, l'objet initial est de nouveau très faiblement lumineux, défiant autrefois les meilleurs instruments disponibles et permettant toutes les conjectures.
     Les premiers indices véritablement utiles sont apparus après la Seconde Guerre Mondiale. En 1954, l'astronome états-unien Merle F. Walker découvrit que la nova de 1934 dans la constellation d'Hercule était une étoile double. En 1956, s'appuyant sur cette découverte et quelques autres, l'astrophysicien John A. Crawford et l'astronome Robert P. Kraft proposèrent un modèle susceptible de s'appliquer à toutes les étoiles variables dites cataclysmiques, une catégorie qui englobe les novae. Leur article décrivait une étoile double composée d'une naine blanche et d'une étoile « normale ».
     Dès lors, tous les scénarios qui supposaient qu'une étoile solitaire comme le Soleil puisse se transformer en nova étaient invalidés, qu'il s'agisse de théories scientifiques ou d'intrigues de textes de Science-Fiction. La question qu'il faut se poser, c'est pourquoi des auteurs en général bien informés, comme Poul Anderson et Larry Niven, les employaient encore une décennie plus tard. Il faut sans doute en chercher les causes dans la prudence habituelle des scientifiques qui ne se pressent jamais d'imposer une théorie à l'exclusion de toutes les autres et surtout dans l'étrange inertie des vulgarisateurs. Ainsi, dans un Atlas d'astronomie traduit de l'allemand et édité chez Stock en 1976, il n'y avait pas la moindre mention de la duplicité probable des novae, vingt ans après la parution de l'article de Crawford et Kraft, et encore moins du rôle crucial que les naines blanches étaient appelées à jouer.
     Une naine blanche est un corps compact et massif, composée de matière « dégénérée ». La masse d'une étoile comme le Soleil pourrait tenir dans un volume un million de fois moins grand si elle était réduite au mélange d'électrons et de noyaux atomiques qui constituent la matière dégénérée. Pour une masse donnée, c'est le plus petit volume qui peut être atteint une fois que la pression dépasse un certain seuil. (Il existe deux autres pressions critiques qui produisent soit des étoiles à neutrons soit des trous noirs.) Dans les faits, une naine blanche est le cadavre refroidi d'une étoile, c'est-à-dire tout ce qui reste du cœur après l'épuisement des réactions nucléaires et la séparation des couches extérieures.
     Selon Crawford et Kraft, la compagne de la naine blanche devait être une étoile dotée, comme le Soleil, d'un cœur chauffé par la fusion nucléaire et d'une atmosphère constituée d'un plasma plus ou moins ionisé. De plus, elle devait graviter si près de la naine blanche que la période de révolution durerait moins d'une journée.
     Or, quand deux corps forment un système binaire si serré, on peut considérer que chaque composante définit un « lobe » d'une figure commune décrivant le potentiel gravitationnel du système. La première surface équipotentielle ressemble au vase clos à deux bulbes d'un sablier, chaque corps occupant le centre d'un bulbe. Plus le corps est massif, plus le lobe sera grand. L'intérieur de chaque lobe forme une zone où prédomine la gravité de la composante correspondante.
     Ainsi, si une étoile devenait plus grosse que son lobe, elle pourrait perdre une partie de son atmosphère au profit du corps occupant le lobe voisin. Ceci peut arriver à la faveur de l'évolution naturelle de l'étoile qui tend à enfler en vieillissant, car la plupart des étoiles passent par le stade du gigantisme. Ceci peut aussi arriver si le système perd une partie de son moment cinétique ; les étoiles devront alors tourner plus vite et se rapprocher. La taille des lobes diminuera et alors une étoile pourra outrepasser les limites de son lobe.
     En gros, même si les détails du concept initial se sont modifiés au fil des ans, c'est encore ainsi que les astronomes envisagent les novae aujourd'hui. Dans le cas d'une nova, la naine blanche est le corps le plus massif de l'étoile double, car elle représentera entre 60 [%] et 140 [%] de la masse du Soleil. D'ordinaire, elle a pour compagne une naine rouge, représentant entre 10 [%] et 50 [%] d'une masse solaire. On notera donc que l'astre le plus petit est le plus massif et possède le plus grand lobe, tandis que l'étoile bien plus volumineuse est confinée dans un lobe plus modeste.
     Les naines rouges sont des étoiles qui vieillissent très lentement. Ainsi, il faut que le système perde une partie de son moment cinétique pour que la naine rouge déborde dans le lobe de la naine blanche. Les astronomes font appel à deux mécanismes possibles pour dissiper la quantité voulue de moment cinétique : le rayonnement gravitationnel et le freinage magnétique. Une étoile double, constituée de deux corps massifs, dissipe nécessairement une certaine quantité d'énergie gravitationnelle, qui est dérobée au moment cinétique du système. Ou bien, le vent stellaire alimenté par l'atmosphère de la naine rouge interagit avec le champ magnétique de la même étoile de façon à accélérer la rotation du système.
     Une fois que l'hydrogène ionisé de l'atmosphère de la naine rouge pénètre dans le lobe de la naine blanche, un grand nombre de choses peuvent arriver. Le résultat final sera le même. Cet apport de matière s'accumule progressivement à la surface de la naine blanche. Selon les meilleurs calculs des astrophysiciens, une naine blanche peut supporter jusqu'à 0,01 [%] d'une masse solaire avant que la température à la base de cette enveloppe d'hydrogène suffise à déclencher des réactions de fusion. Si le temps et la pression ont métamorphosé le plasma ionisé en gaz dégénéré, la chaleur dégagée par la fusion n'aura pas l'effet escomptée par les personnes accoutumées au comportement des gaz sur Terre. Le volume n'augmente pas (ou presque), ce qui aurait eu pour effet de réduire la pression et le rythme des réactions nucléaires. La fusion thermonucléaire a donc le temps de se propager dans toute l'enveloppe avant de parvenir à propulser la matière accumulée loin du noyau dégénéré de la naine blanche.
     C'est alors que la nova apparaît dans toute sa gloire : la coquille de gaz incandescents peut atteindre entre quinze et cent cinquante fois le diamètre du Soleil avant de commencer à se refroidir. Souvent, il s'y mêle une fraction de la masse de la naine blanche. Dans le spectre visible, l'éclat du système peut augmenter plus d'un million de fois avant de commencer à diminuer. Expulsés à raison de 500 ou 1000 km/s ou plus encore, les gaz éjectés finiront par se disloquer et former une nuée de débris autour de l'étoile double. La naine blanche se refroidira lentement, mais si à nouveau l'atmosphère de la naine rouge s'échappe dans le lobe de la naine blanche, une autre nova se préparera. Au bout de dix mille ans ou plus, pense-t-on...
     Les novae les plus brillantes peuvent avoir l'éclat de cent mille Soleils. En général, il ne ferait pas bon pour un astronef de se trouver à moins d'un milliard de kilomètres d'une telle nova au moment de son apothéose. Selon la puissance de l'explosion, on peut dire que ce serait la destruction assurée à la moitié de cette distance ou moins.
     Les étoiles doubles et surtout les variables cataclysmiques sont un sujet d'études fascinant. Elles sont associées à une variété de phénomènes spectaculaires, qu'il m'est impossible de traiter dans le cadre restreint de cet article. Au sein de la faune des variables cataclysmiques, les novae comptent plusieurs espèces apparentées : les novae naines dont l'éruption est provoquée par un mécanisme encore imparfaitement compris ; novae récurrentes ; les systèmes AM Herculis où la naine blanche est dotée d'un champ magnétique si puissant que les gaz de l'étoile voisine sont guidés directement jusqu'aux pôles magnétiques ; les systèmes de faible masse émettant des rayons X parce que le rôle de la naine blanche est joué par une étoile à neutrons un peu plus massive ; et bien d'autres encore.
     En fait, le couplage d'une naine blanche et d'une étoile ordinaire donne lieu à une multitude de phénomènes différents mais constitue aussi un paradigme extrêmement efficace pour en expliquer un grand nombre. Il reste de nombreux mystères. Certains astronomes pensent que si la masse initiale de la naine blanche dépasse une masse solaire, la succession de novae ne suffira pas à débarrasser la naine blanche de toute la matière amoncelée à sa surface et la naine blanche deviendra de plus en plus massive, atteignant enfin la masse critique et se transformant en étoile à neutrons. Le résultat de cette transformation serait une supernova du premier type. Par contre, si la masse initiale de la naine blanche est en deçà d'une masse solaire, chaque nova emportera une fraction de sa masse et la masse de la naine blanche diminuera peu à peu.
     En guise de conclusion, toutefois, il reste à noter pourquoi il est devenu presque impossible d'incorporer une véritable nova dans une intrigue de Science-Fiction traditionnelle. La plupart du temps, les auteurs de Science-Fiction faisaient appel aux novae pour menacer des mondes habités. Dans son roman The Currents of Space (1952), Isaac Asimov exploite une hypothèse éphémère quant à l'origine des novae pour expliquer la spécificité d'une planète (condamnée) par le rayonnement particulier d'une pré-nova. Dans Ensign Flandry (1966), Poul Anderson fait intervenir une planète vagabonde qui entre en collision avec une étoile pour déclencher une nova. Dans la nouvelle « Restez à l'écoute... » de Jean-Claude Dunyach, parue dans son roman-recueil Les Voleurs de silence (1992), c'est l'impact d'une armada de fusées qui doit métamorphoser le Soleil en nova destructrice.
     A la lumière de ce qui précède, ces scénarios sont bien entendu strictement impossibles. Pour obtenir une nova, il faut une étoile double. Cependant, du point de vue de l'auteur de Science-Fiction, il y a pire encore. Au départ, il faut une naine blanche de bonne taille. Or, seules les étoiles d'une certaine taille donnent naissance aux naines blanches et ces étoiles doivent d'abord passer par une série d'expansions, de diminutions et de pulsations. S'il est déjà difficile de concevoir une planète habitable dans un système binaire, c'est pratiquement impossible d'imaginer une planète habitée survivant à un tel traitement. Et qui s'aviserait de coloniser une planète dans un tel système ? Le scénario canonique peut donc être exclu.
     De plus, l'impact d'une planète vagabonde ou d'une flotte d'astronefs à la surface d'une naine blanche dans un système double n'aurait l'effet escompté que si la naine blanche avait déjà accumulé suffisamment de masse pour être au bord de l'éruption. (Si la masse de la naine blanche frisait le point critique pour une transformation en étoile à neutrons, le résultat risquerait plutôt d'être une supernova, comme dans ma nouvelle « La douzième vie des copies ».) Autrement dit, on ne pourrait pas provoquer une nova à volonté à moins d'altérer les lois fondamentales de la physique. Il reste néanmoins des histoires à raconter... Des planètes peuvent exister en orbite autour d'une nova, à condition de rester à une distance respectueuse de l'étoile double. Elles ne seraient en aucun cas habi­tables, mais elles pourraient accueillir des bases autonomes... Une nova récurrente apparaît dans un épisode de la série télévisée Star Trek : The Next Generation. Même si l'intervalle de récurrence est connu avec une précision improbable et même si les gaz incandescents ne formeraient en aucun cas une spirale autour de la naine blanche, c'est peut-être la meilleure illustration de tout ce que je viens de décrire. J'ai moi-même rédigé une nouvelle en anglais, « Stella Nova », qui met en scène une nova naine. Une traduction en français devrait paraître dans Antarès ; j'ai laissé planer un flou artistique sur certains détails encore sujets à controverse, mais c'est déjà mieux que les conceptions périmées encore en vogue ailleurs. En effet, à ma connaissance, personne n'a encore traité correctement d'une nova dans un récit de Science-Fiction.
     Qui relèvera ce défi de façon intéressante ?

Sources récentes :

  • Bode, Mike F., et A. Evans, éd. Classical Novae. Chichester : John Wiley & Sons Ltd., 1989. 341 pages.
  • Cassatella, A., et R. Viotti, éd. Physics of Classical Novae. Berlin : Springer-Verlag, 1990. 462 pages.
  • Clark, David H., et F. Richard Stephenson. The Historical Supernovae. Oxford : Pergamon Press, 1977. 233 pages.
  • Delsemme, Armand H., Jean-Claude Pecker et Hubert Reeves. Pour comprendre l'univers., Paris : Flammarion, 1988. 256 pages.
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