Le Soleil a toujours été le centre de nos systèmes cosmologiques. Mais avec l’avènement de l’astronomie moderne, les humains ont pris conscience du fait que le Soleil n’est qu’une des innombrables étoiles de notre Univers. En fait, il s’agit d’un exemple parfaitement normal d’étoile à séquence principale de type G (G2V, alias « naine jaune »). Et comme toutes les étoiles, elle a une durée de vie, caractérisée par une formation, une séquence principale et une mort éventuelle.
Cette durée de vie a commencé il y a environ 4,6 milliards d’années, et se poursuivra pendant encore environ 4,5 – 5,5 milliards d’années, lorsqu’elle épuisera sa réserve d’hydrogène, d’hélium, et s’effondrera en naine blanche. Mais il ne s’agit là que de la version abrégée de la durée de vie du Soleil. Comme toujours, Dieu (ou le Diable, selon qui vous demandez) est dans les détails !
Pour le décomposer, le Soleil est à peu près à mi-chemin de la partie la plus stable de sa vie. Au cours des quatre derniers milliards d’années, période pendant laquelle la planète Terre et l’ensemble du système solaire sont nés, il est resté relativement inchangé. Il en sera ainsi pendant encore quatre milliards d’années, après quoi il aura épuisé ses réserves d’hydrogène. Lorsque cela se produira, des choses assez radicales auront lieu !
La naissance du Soleil :
Selon la théorie nébulaire, le Soleil et toutes les planètes de notre système solaire ont commencé comme un nuage géant de gaz et de poussière moléculaires. Puis, il y a environ 4,57 milliards d’années, un événement a provoqué l’effondrement du nuage. Cela aurait pu être le résultat du passage d’une étoile, ou des ondes de choc d’une supernova, mais le résultat final était un effondrement gravitationnel au centre du nuage.
À partir de cet effondrement, des poches de poussière et de gaz ont commencé à se rassembler en régions plus denses. Comme les régions plus denses ont attiré de plus en plus de matière, la conservation de l’élan a fait qu’elle a commencé à tourner, tandis que l’augmentation de la pression l’a fait chauffer. La plupart de la matière a fini par former une boule au centre, tandis que le reste de la matière s’est aplati en disque qui a tourné autour de lui.
La boule au centre a fini par former le Soleil, tandis que le disque de matière a formé les planètes. Le Soleil a passé environ 100 000 ans comme proto-étoile en effondrement avant que la température et les pressions à l’intérieur n’allument la fusion en son cœur. Au départ, le Soleil était une étoile Tauri, une étoile très active qui produisait un vent solaire intense. Et quelques millions d’années plus tard, il s’est stabilisé dans sa forme actuelle. Le cycle de vie du Soleil avait commencé.
La séquence principale:
Le Soleil, comme la plupart des étoiles de l’Univers, est au stade de la séquence principale de sa vie, au cours de laquelle les réactions de fusion nucléaire dans son noyau fusionnent l’hydrogène en hélium. Chaque seconde, 600 millions de tonnes de matière sont transformées en neutrinos, en rayonnement solaire et en environ 4 x 1027 watts d’énergie. Pour le Soleil, ce processus a commencé il y a 4,57 milliards d’années, et il produit de l’énergie de cette manière depuis lors.
Cependant, ce processus ne peut pas durer éternellement car il y a une quantité finie d’hydrogène dans le noyau du Soleil. Jusqu’à présent, le Soleil a converti environ 100 fois la masse de la Terre en hélium et en énergie solaire. Au fur et à mesure que l’hydrogène est converti en hélium, le noyau continue de rétrécir, ce qui permet aux couches extérieures du Soleil de se rapprocher du centre et de subir une force gravitationnelle plus forte.
Cela exerce une plus grande pression sur le noyau, à laquelle résiste une augmentation résultante du taux de fusion. En gros, cela signifie qu’à mesure que le Soleil continue à dépenser de l’hydrogène dans son noyau, le processus de fusion s’accélère et le rendement du Soleil augmente. À l’heure actuelle, cela entraîne une augmentation de 1 % de la luminosité tous les 100 millions d’années, et une augmentation de 30 % au cours des 4,5 milliards d’années passées.
Dans 1,1 milliard d’années, le Soleil sera 10 % plus lumineux qu’aujourd’hui, et cette augmentation de luminosité signifiera également une augmentation de l’énergie thermique, que l’atmosphère de la Terre absorbera. Cela déclenchera un effet de serre humide ici sur Terre, similaire au réchauffement galopant qui a transformé Vénus en l’environnement infernal que nous y voyons aujourd’hui.
Dans 3,5 milliards d’années, le Soleil sera 40% plus lumineux qu’aujourd’hui. Cette augmentation provoquera l’ébullition des océans, la fonte permanente des calottes glaciaires et la perte dans l’espace de toute la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère. Dans ces conditions, la vie telle que nous la connaissons sera incapable de survivre où que ce soit à la surface. En bref, la planète Terre deviendra une autre Vénus chaude et sèche.
Epuisement de l’hydrogène central:
Toutes les choses ont une fin. C’est vrai pour nous, c’est vrai pour la Terre, et c’est vrai pour le Soleil. Cela n’arrivera pas de sitôt, mais un jour, dans un avenir lointain, le Soleil sera à court d’hydrogène et s’avachira lentement vers la mort. Cela commencera dans environ 5,4 milliards d’années, moment où le Soleil sortira de la séquence principale de sa durée de vie.
Avec son hydrogène épuisé dans le noyau, la cendre d’hélium inerte qui s’y est accumulée deviendra instable et s’effondrera sous son propre poids. Le noyau se réchauffera alors et deviendra plus dense, ce qui entraînera une augmentation de la taille du Soleil et son entrée dans la phase de géante rouge de son évolution. On calcule que le Soleil en expansion deviendra suffisamment grand pour englober les orbites de Mercure, Vénus et peut-être même la Terre. Même si la Terre survit, la chaleur intense du soleil rouge brûlera notre planète et rendra la survie de la vie complètement impossible.
Phase finale et mort :
Une fois qu’il aura atteint la phase de la branche géante rouge (RGB), le Soleil aura encore environ 120 millions d’années de vie active. Mais beaucoup de choses vont se passer dans ce laps de temps. Tout d’abord, le noyau (rempli d’hélium dégénéré), s’enflammera violemment dans un flash d’hélium – où environ 6 % du noyau et 40 % de la masse du Soleil seront convertis en carbone en quelques minutes.
Le Soleil se réduira ensuite à environ 10 fois sa taille actuelle et 50 fois sa luminosité, avec une température un peu plus basse qu’aujourd’hui. Pendant les 100 millions d’années suivantes, il continuera à brûler de l’hélium dans son noyau jusqu’à épuisement. À ce moment-là, il sera dans sa phase de branche géante asymptotique (AGB), où il se dilatera à nouveau (beaucoup plus rapidement cette fois) et deviendra plus lumineux.
Au cours des 20 millions d’années suivantes, le Soleil deviendra alors instable et commencera à perdre de la masse par une série d’impulsions thermiques. Celles-ci se produiront tous les 100 000 ans environ, devenant plus importantes à chaque fois et augmentant la luminosité du Soleil jusqu’à 5 000 fois sa luminosité actuelle et son rayon jusqu’à plus de 1 UA.
À ce stade, l’expansion du Soleil englobera la Terre ou la laissera entièrement inhospitalière à la vie. Les planètes du système solaire externe sont susceptibles de changer radicalement, car plus d’énergie est absorbée par le Soleil, provoquant la sublimation de leurs glaces d’eau – formant peut-être une atmosphère dense et des océans de surface. Après 500 000 ans environ, il ne restera que la moitié de la masse actuelle du Soleil et son enveloppe extérieure commencera à former une nébuleuse planétaire.
L’évolution post-AGB sera encore plus rapide, car la masse éjectée s’ionise pour former une nébuleuse planétaire et le noyau exposé atteint 30 000 K. La température finale du noyau nu sera supérieure à 100 000 K, après quoi le vestige se refroidira vers une naine blanche. La nébuleuse planétaire se dispersera dans environ 10 000 ans, mais la naine blanche survivra pendant des trillions d’années avant de s’éteindre en noir.
Destin ultime de notre Soleil:
Lorsque les gens pensent à la mort des étoiles, ce qui leur vient généralement à l’esprit, ce sont des supernovas massives et la création de trous noirs. Cependant, ce ne sera pas le cas avec notre Soleil, en raison du simple fait qu’il est loin d’être assez massif. Bien qu’il puisse nous sembler énorme, mais le Soleil est une étoile de masse relativement faible par rapport à certaines des énormes étoiles de masse élevée qui existent dans l’Univers.
En tant que tel, lorsque notre Soleil sera à court de carburant hydrogène, il se dilatera pour devenir une géante rouge, soufflera ses couches externes, puis se stabilisera en tant qu’étoile naine blanche compacte, puis se refroidira lentement pendant des trillions d’années. Si, toutefois, le Soleil avait environ 10 fois sa masse actuelle, la phase finale de sa durée de vie serait nettement plus (ahem) explosive.
Lorsque ce Soleil super-massif n’aurait plus de carburant hydrogène dans son noyau, il passerait à la conversion d’atomes d’hélium, puis d’atomes de carbone (comme le nôtre). Ce processus se poursuivrait, le Soleil consommant un combustible de plus en plus lourd par couches concentriques. Chaque couche prendrait moins de temps que la précédente, jusqu’au nickel – dont la combustion pourrait ne prendre qu’une journée.
Puis, le fer commencerait à s’accumuler dans le cœur de l’étoile. Comme le fer ne dégage pas d’énergie lorsqu’il subit une fusion nucléaire, l’étoile n’aurait plus de pression vers l’extérieur dans son noyau pour l’empêcher de s’effondrer vers l’intérieur. Lorsqu’environ 1,38 fois la masse du Soleil en fer s’accumulerait au cœur de l’étoile, celle-ci imploserait de façon catastrophique, libérant une énorme quantité d’énergie.
En huit minutes, le temps que met la lumière à voyager du Soleil à la Terre, une quantité incompréhensible d’énergie balayerait la Terre et détruirait tout dans le système solaire. L’énergie ainsi libérée pourrait être suffisante pour éclipser brièvement la galaxie, et une nouvelle nébuleuse (comme la nébuleuse du Crabe) serait visible depuis les systèmes stellaires proches, s’étendant vers l’extérieur pendant des milliers d’années.
Tout ce qui resterait du Soleil serait une étoile à neutrons tournant rapidement, ou peut-être même un trou noir stellaire. Mais bien sûr, ce ne sera pas le destin de notre Soleil. Compte tenu de sa masse, il finira par s’effondrer en étoile blanche jusqu’à ce qu’il s’épuise. Et bien sûr, cela ne se produira pas avant environ 6 milliards d’années. À ce moment-là, l’humanité sera morte depuis longtemps ou aura évolué. En attendant, nous avons de nombreux jours de soleil à attendre avec impatience !
Nous avons écrit de nombreux articles intéressants sur le Soleil ici à Universe Today. Voici Quelle est la couleur du Soleil ?, Quel genre d’étoile est le Soleil ?, Comment le Soleil produit-il de l’énergie ? et Pourrions-nous terraformer le Soleil ?
Astronomy Cast a également quelques épisodes intéressants sur le sujet. Consultez-les : Épisode 30 : Le Soleil, les taches et tout, Épisode 108 : La vie du Soleil, Épisode 238 : L’activité solaire.
Pour plus d’informations, consultez le Guide du système solaire de la NASA.
La NASA et la NASA sont en train d’élaborer un guide du système solaire.