Le diagramme de Hertzsprung-Russell

Le satellite Gaia de l'ESA a placé plus de quatre millions d'étoiles sur un même diagramme reliant couleur et luminosité.

Un diagramme pour classer les étoiles

Au début des années 1900, deux astronomes, Ejnar Hertzsprung au Danemark et Henry Norris Russell aux États-Unis, ont représenté séparément les étoiles selon leur luminosité et leur couleur ou leur classe spectrale. Si leurs propriétés étaient aléatoires, les points se répartiraient partout. Ce n'était pas le cas. La plupart formaient une bande diagonale, avec un groupe distinct d'étoiles froides et lumineuses au-dessus et, découvert plus tard, un groupe d'étoiles chaudes et peu lumineuses en dessous. Ce graphique porte aujourd'hui le nom de diagramme de Hertzsprung-Russell, ou diagramme HR. C'est l'un des outils les plus utilisés en astronomie.

Deux conventions de ce diagramme peuvent surprendre. La température est orientée à l'envers, avec les étoiles chaudes à gauche, car l'ancienne séquence spectrale O B A F G K M s'écrivait de gauche à droite. Les deux axes sont aussi logarithmiques : chaque graduation vers le haut de l'axe de luminosité correspond à dix fois plus de lumière, d'un dix-millième à un million de luminosités solaires. Sans cette échelle, le Soleil et les étoiles peu lumineuses seraient écrasés sur une ligne invisible tout en bas.

Les groupes

• Séquence principale : la bande diagonale allant des étoiles chaudes et lumineuses, en haut à gauche, aux naines rouges froides et peu lumineuses, en bas à droite. Ces étoiles fusionnent l'hydrogène dans leur cœur. Selon la NASA, environ 90 % des étoiles appartiennent à la séquence principale, dont le Soleil.
• Géantes : des étoiles froides mais lumineuses au-dessus de la séquence principale, comme Arcturus et Aldébaran. L'ESA décrit la branche des géantes rouges comme le bras qui quitte la séquence principale vers la droite lorsque les étoiles vieillissent et gonflent.
• Supergéantes : en haut du diagramme, comme Rigel et Bételgeuse, elles émettent des dizaines de milliers de fois plus que le Soleil, voire davantage.
• Naines blanches : des étoiles chaudes mais peu lumineuses en bas à gauche, comme Sirius B ; ce sont les cœurs laissés par des étoiles semblables au Soleil.

Pourquoi les naines blanches sont-elles peu lumineuses alors qu'elles sont chaudes ? Reprends la formule de l'unité sur la couleur : luminosité = rayon² × (température ÷ 5772)⁴. Sirius B est à environ 25 200 K : chaque mètre carré devrait donc rayonner 360 fois plus que la surface du Soleil. Mais son rayon ne vaut que 0.0086 rayon solaire, et 0.0086² vaut environ 0.000074. En multipliant, on obtient environ 0.027 luminosité solaire pour l'étoile entière. Bételgeuse présente le cas inverse : plus froide que le Soleil, elle rayonne moins par mètre carré, mais sa surface est environ 524 000 fois plus grande. Elle brille donc comme des dizaines de milliers de Soleils.

Voilà ce que montrent les lignes en pointillés du modèle. Sur chaque ligne, toutes les étoiles ont le même rayon, de 0.01 rayon solaire en bas à gauche à 1000 rayons solaires en haut à droite. Les naines blanches se trouvent près de la ligne 0.01, la séquence principale s'étend d'environ 0.1 à environ 10, et les supergéantes approchent 1000. La position d'une étoile renseigne donc simultanément sur sa température, sa luminosité et sa taille.

Un instantané, pas un parcours

On peut être tenté de voir la séquence principale comme une route empruntée par toutes les étoiles. Les ressources pédagogiques de la NASA rappellent qu'il s'agit plutôt du portrait d'étoiles de masses différentes à un instant donné. La masse d'une étoile fixe sa place sur la séquence principale : les plus massives en haut à gauche, les moins massives en bas à droite. Elle reste près de cette position pendant l'essentiel de sa vie. Elle ne la quitte que lorsque l'hydrogène de son cœur est épuisé, montant vers la droite pour devenir une géante. Active « Évolution future du Soleil » dans le modèle pour voir son parcours probable : vers le haut de la branche des géantes, puis vers le bas parmi les naines blanches. Ce tracé est une esquisse, pas un calcul.