Dernière mise à jour : 03 mai 2014

Céphéides : Pourquoi ces étoiles pulsent-elles ?

Qu'est-ce qu'une Céphéides ?

Les Céphéides sont des étoiles variables pulsantes dont la luminosité varie périodiquement en raison de changements de leur taille et de leur température. Ces étoiles sont essentielles en astrophysique car elles permettent de mesurer les distances astronomiques, notamment dans notre galaxie et au-delà, grâce à la relation période-luminosité. Cette relation a été découverte par l’astronome américaine Henrietta Swan Leavitt au début du XXe siècle.

Caractéristiques des Céphéides

• Variabilité : Les Céphéides voient leur luminosité varier de manière régulière sur des périodes allant de quelques jours à plusieurs mois. Cette variation est due à des oscillations de la structure interne de l'étoile.
• Relation période-luminosité : Henrietta Leavitt (1868-1921) a découvert que plus la période de variation d'une Céphéide est longue, plus sa luminosité intrinsèque est élevée. En d’autres termes, la magnitude absolue d’une Céphéide est directement liée à la période de ses oscillations.

Théorie de Henrietta Swan Leavitt

Le travail d'Henrietta Swan Leavitt a commencé en 1908 lorsqu'elle a analysé des plaques photographiques d'étoiles variables dans les Nuages de Magellan. Elle a observé une centaine d'étoiles variables, dont certaines étaient des Céphéides. Sa découverte fondamentale est la relation période-luminosité, en effet elle a constaté que les étoiles avec des périodes de variation plus longues étaient intrinsèquement plus brillantes.

Leavitt n'a pas pu déterminer les distances absolues de ces étoiles, mais elle a fourni une échelle relative extrêmement précise. Une fois que les astronomes ont obtenu une distance pour une Céphéide (grâce à des mesures de parallaxe par exemple), ils ont pu utiliser cette relation pour calculer les distances à d'autres Céphéides. Cela a ouvert la voie à l'estimation des distances des galaxies et à la compréhension de l'échelle de l'univers.

Physique des Céphéides

Les Céphéides sont des étoiles massives et évoluées qui ont quitté la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russell. Leur variabilité est due à un processus appelé "instabilité de la zone de l’hélium". Dans certaines couches de ces étoiles, l’hélium est partiellement ionisé, ce qui affecte la transparence à la chaleur (opacité).

• Phase de contraction : Lorsque l'étoile se contracte, la température augmente et l'opacité due à l’hélium ionisé bloque l'énergie dans les couches internes. Cette accumulation d'énergie fait gonfler l'étoile.
• Phase d'expansion : Lorsque l'étoile s'étend, elle refroidit, l'hélium se recombine en un état moins ionisé, réduisant ainsi l'opacité, ce qui permet à l'énergie de s'échapper. L'étoile se contracte à nouveau, et le cycle recommence.

Ce cycle pulsatoire est régulier, ce qui permet la relation précise entre la période et la luminosité.

Importance de la découverte

Grâce à la relation période-luminosité des Céphéides, Edwin Hubble a pu démontrer dans les années 1920 que certaines nébuleuses spirales étaient en réalité des galaxies en dehors de la Voie lactée. Cette découverte a changé notre compréhension de l'univers, montrant qu'il est beaucoup plus vaste qu'on ne le pensait.

Ce montage vidéo a été réalisé à partir des observations du télescope spatial Hubble pour montrer les pulsations de l'étoile variable RS Puppis et son environnement d'épais nuages sombres. RS Puppis est une Céphéide, un type d'étoile variable située dans la constellation de Puppis. La poussière entourant RS Puppis permet de voir un phénomène connu comme étant un écho de lumière autour de l'étoile, d'une clarté étonnante. Cet écho de lumière crée l'illusion de nuages de gaz en expansion à partir de RS Puppis. Les observations de Hubble ont été prises sur une période de cinq semaines en 2010, afin de capturer l'étoile variable à différents stades de son cycle, elle varie en luminosité d'un facteur de cinq ou plus tous les 40 jours. La courte vidéo est répétée plusieurs fois pour montrer plus clairement le mécanisme d'écho de lumière. Ces observations de Hubble montrent l'objet dans un ciel sombre rempli de galaxies d'arrière-plan. C'est parce que RS Puppis est situé dans une grande nébuleuse, que les astronomes ont pu mesurer sa distance par échos lumineux, provenant des particules de la nébuleuse. Ils ont déterminer avec précision que la céphéide se situait à 6500 ± 90 années-lumière de la Terre. L'exactitude de la mesure est importante car les Céphéides servent de marqueur (chandelle standard) pour les distances au sein de notre galaxie et des galaxies proches. Crédit: NASA, ESA, G. Bacon (STScI), l'équipe Hubble Heritage.