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une atmosphère). Il est intéressant de noter que la stabilité de l'atmosphère de Titan serait compromise si la température s'élevait de — 150° à 0°. Donc, si Titan a traversé une période de haute température superficielle, il faut admettre que l'atmosphère a été émise par la croûte de l'astre après son refroidissement. L'analogie entre l'atmosphère de Saturne et celle de Titan donne à penser qu'elles pourraient avoir une origine commune. D. C. BETELGEUSE D'après la Circulaire n° 1001 (6 mars 1945) de l'U. A. I. de Copenhague. M. P. M. Rees, dans la Circulaire no 249 de la British Astronomical Association (du 27 janvier 1945) attire l'attention des observateurs sur le minimum exceptionnellement faible, en ce moment, de l'étoile variable bien connue Betelgeuse. Les observations offriront donc un intérêt tout particulier et les étoiles Aldebaran, Pollux et Castor sont indiquées comme étoiles de comparaison. Il faudra appliquer les corrections dues à l'absorption atmosphérique, mais, pour nos latitudes, on peut choisir des moments où les hauteurs de Betelgeuse et des étoiles de comparaison sont les mêmes. (Voir L'Astronomie de février 1944, p. 28.) LES NAINES BLANCHES Le titre de cette conférence a l'air d'annoncer un conte de fées. En vérité, c'en est un, l'un des plus passionnants que je connaisse — à coup sûr le plus étrange. Le chapitre des naines blanches s'est ouvert en Astronomie, il y a deux décades et il a manifesté aussitôt une vitalité débordante, s'associant d'emblée aux théories révolutionnaires de la Physique — leur fournissant des preuves et leur empruntant des lois. Aujourd'hui, pour l'Astronomie, comme pour la Physique, les naines blanches sont à l'avant-garde du progrès. Définition. — Les naines blanches sont des objets stellaires, brillant d'une lumière propre, dont les rayons sont inférieurs à 3 % de celui du Soleil — et le plus souvent beaucoup moindres. Ce qui fait l'unité du groupe et l'intérêt de cette définition, c'est l'absence complète, dans l'espace, d'astres dont les rayons soient compris entre 0,03 et 0,2 de celui du Soleil : pratiquement, on ne rencontre pas d'étoiles ayant pour rayon 0,1 ©. Quand on dépasse 0,2 0,
est un, l'un des plus passionnants que je connaisse — à coup sûr le plus étrange. Le chapitre des naines blanches s'est ouvert en Astronomie, il y a deux décades et il a manifesté aussitôt une vitalité débordante, s'associant d'emblée aux théories révolutionnaires de la Physique — leur fournissant des preuves et leur empruntant des lois. Aujourd'hui, pour l'Astronomie, comme pour la Physique, les naines blanches sont à l'avant-garde du progrès. Définition. — Les naines blanches sont des objets stellaires, brillant d'une lumière propre, dont les rayons sont inférieurs à 3 % de celui du Soleil — et le plus souvent beaucoup moindres. Ce qui fait l'unité du groupe et l'intérêt de cette définition, c'est l'absence complète, dans l'espace, d'astres dont les rayons soient compris entre 0,03 et 0,2 de celui du Soleil : pratiquement, on ne rencontre pas d'étoiles ayant pour rayon 0,1 ©. Quand on dépasse 0,2 0, on commence à trouver des étoiles, qui deviennent de plus en plus nombreuses à mesure que le diamètre proposé croît. L'abondance est maximum pour des diamètres un peu inférieurs à celui du Soleil (la moitié, ou le tiers). Les géantes, de beaucoup supérieures au Soleil sont, à leur tour, très rares. Ces faits d'observation peuvent se résumer dans le tableau suivant : Rayon en km. 6 400 20.000km 70.000 140.000km 8 700.000km Rayon par rapport au Soleil © 0,03 0,1 0,2 400 Naines Naines Naines Naines Géantes Catégorie blanches rouges orangées jaunes tous types de fréquence relative dans l'espace 3 200 15 9 1 Fig. 1. — Rayons et fréquences stellaires. Ce premier caractère distinctif des naines blanches n'est pas le seul à les singulariser. Les propriétés physiques de leur substance sont tout à fait anormales et suffiraient aussi les définir. Avant d'aborder leur étude, signalons encore la place que ces astres occupent dans le tableau général où se classent les étoiles, je veux dire dans le diagramme de Hertzsprung-Russell (fig. 3). Les naines blanches s'isolent dans le coin inférieur gauche. Calcul des rayons. — Nous présenterons les résultats dans l'ordre où l'observation se fait connaître (Tableau 2). La couleur
rares. Ces faits d'observation peuvent se résumer dans le tableau suivant : Rayon en km. 6 400 20.000km 70.000 140.000km 8 700.000km Rayon par rapport au Soleil © 0,03 0,1 0,2 400 Naines Naines Naines Naines Géantes Catégorie blanches rouges orangées jaunes tous types de fréquence relative dans l'espace 3 200 15 9 1 Fig. 1. — Rayons et fréquences stellaires. Ce premier caractère distinctif des naines blanches n'est pas le seul à les singulariser. Les propriétés physiques de leur substance sont tout à fait anormales et suffiraient aussi les définir. Avant d'aborder leur étude, signalons encore la place que ces astres occupent dans le tableau général où se classent les étoiles, je veux dire dans le diagramme de Hertzsprung-Russell (fig. 3). Les naines blanches s'isolent dans le coin inférieur gauche. Calcul des rayons. — Nous présenterons les résultats dans l'ordre où l'observation se fait connaître (Tableau 2). La couleur d'une étoile, immédiatement observable, dépend de sa température superficielle. Une étoile dont la surface est froide apparaît rougeâtre et rayonne peu par unité de surface. Une étoile très chaude apparaît d'un blanc bleuté et, à surface égale, rayonne beaucoup plus. On connaît la loi de Stefan : l'énergie dégagée par unité d'aire est proportionnelle à la puissance quatrième de la température effective T(W = 0T4). Des mesures de couleur font connaître la température de couleur de l'astre, d'où l'on peut déduire, après certaines corrections que je passe sous silence, la température effective T, la émission (W) par unité de surface. La seconde donnée immédiate est la magnitude apparente m (la grandeur, comme on disait autrefois). Si la parallaxe de l'astre est connue, c'est-à-dire sa distance (et pour toutes les naines blanches nous possédons cette information), il est facile de déduire de m la magnitude absolue M, qui caractérise la luminosité totale, — la puissance lumineuse — le débit de l'astre considéré. Nous désignerons par L cette puissance intrinsèque par rapport à celle du Soleil. Cela acquis, le quotient débit / surface représente la surface 1W d'où nous tirons aisément son rayon. Ainsi, les rayons anormalement petits résulteront d'une luminosité totale
unité d'aire est proportionnelle à la puissance quatrième de la température effective T(W = 0T4). Des mesures de couleur font connaître la température de couleur de l'astre, d'où l'on peut déduire, après certaines corrections que je passe sous silence, la température effective T, la émission (W) par unité de surface. La seconde donnée immédiate est la magnitude apparente m (la grandeur, comme on disait autrefois). Si la parallaxe de l'astre est connue, c'est-à-dire sa distance (et pour toutes les naines blanches nous possédons cette information), il est facile de déduire de m la magnitude absolue M, qui caractérise la luminosité totale, — la puissance lumineuse — le débit de l'astre considéré. Nous désignerons par L cette puissance intrinsèque par rapport à celle du Soleil. Cela acquis, le quotient débit / surface représente la surface 1W d'où nous tirons aisément son rayon. Ainsi, les rayons anormalement petits résulteront d'une luminosité totale L très faible, associée à un dénominateur W très grand, c'est-à-dire à une température élevée, à une couleur blanche. Effet Einstein sur la lenteur de la lumière. Calculé Observé 40 Eridani B 13 5000 9,6 0,202 11,1 0,008 11000km 0,45 1600km 50000 18000km à l'étude 0,0168 9 0000 15 000km 1400km Sirius B à 8,5 0,376 11,4 0,003 0,98 à 65000 30k 22°""' 10 0000 13 000km 2508 (+5) 10,020 —' 4 Van Maanen 2.... 8200° 12,3 0,243 14,3 0,00015 4200° 2,5 1,5 10 500 000 238 tonnes 0,006 A. C. 70° 8247.... 35 0000 13,6 0,055 12,3 0,000 2 800km tonnes 30 3 millions Wolf 457 10 0000 15,6 0,079 15,1 0,0001 10 000km 2,5 1,5 tonnes 80 5 millions 250km/sec 0,003 f) = 28 « T MV 1t Mv 1,0 RÔ = 6 400km g = 1 Calculée d'après l'effet Einstein observé. Calculées d'après la relation de Chandrasekhar au moyen du rayon, en supposant p. = 2 P. — 5. Fig. 2. — Caractères de cinq naines blanches. Voilà pourquoi les étoiles naines quant à la luminosité se divisent en deux groupes largement séparés : à luminosité égale (L = 0,0001 8 par exemple) les unes sont rouges,
1400km Sirius B à 8,5 0,376 11,4 0,003 0,98 à 65000 30k 22°""' 10 0000 13 000km 2508 (+5) 10,020 —' 4 Van Maanen 2.... 8200° 12,3 0,243 14,3 0,00015 4200° 2,5 1,5 10 500 000 238 tonnes 0,006 A. C. 70° 8247.... 35 0000 13,6 0,055 12,3 0,000 2 800km tonnes 30 3 millions Wolf 457 10 0000 15,6 0,079 15,1 0,0001 10 000km 2,5 1,5 tonnes 80 5 millions 250km/sec 0,003 f) = 28 « T MV 1t Mv 1,0 RÔ = 6 400km g = 1 Calculée d'après l'effet Einstein observé. Calculées d'après la relation de Chandrasekhar au moyen du rayon, en supposant p. = 2 P. — 5. Fig. 2. — Caractères de cinq naines blanches. Voilà pourquoi les étoiles naines quant à la luminosité se divisent en deux groupes largement séparés : à luminosité égale (L = 0,0001 8 par exemple) les unes sont rouges, et ont des rayons petits, mais conservent un calibre d'étoiles, ce sont les naines rouges du coin inférieur droit du diagramme (fig. 3), les autres sont blanches et ont un calibre médiocre planète, comme la Terre, ou moindre encore. Elles méritent le nom d'ét si elles brillent par elles-mêmes, et parce que leur masse est comparable à celle des étoiles ordinaires, comme nous l'allons voir : ce caractère fera tout le drame. Ce sont les naines blanches, du coin inférieur gauche du diagramme. Dans le tableau (Fig. 2), les premières colonnes indiquent les éléments fournis par l'observation et qui ont permis le calcul des rayons, sans aucune hypothèse et avec incertitude faible sur le résultat. Le seul point délicat concerne l'évaluation de la température : pour la seconde étoile par exemple, j'ai indiqué l'hésitation entre 9° et 11°. La dernière des naines n'est guère plus grosse que la Lune. Recherche des naines blanches. — Étant intrinsèquement peu lumineuses, les naines ne se voient pas de loin : nous sommes condamnés à ne découvrir que celles qui habitent un coin exigu d'espace autour de nous. On les recherche parmi les étoiles à forte parallaxe ou à grand mouvement propre. Actuellement on
parce que leur masse est comparable à celle des étoiles ordinaires, comme nous l'allons voir : ce caractère fera tout le drame. Ce sont les naines blanches, du coin inférieur gauche du diagramme. Dans le tableau (Fig. 2), les premières colonnes indiquent les éléments fournis par l'observation et qui ont permis le calcul des rayons, sans aucune hypothèse et avec incertitude faible sur le résultat. Le seul point délicat concerne l'évaluation de la température : pour la seconde étoile par exemple, j'ai indiqué l'hésitation entre 9° et 11°. La dernière des naines n'est guère plus grosse que la Lune. Recherche des naines blanches. — Étant intrinsèquement peu lumineuses, les naines ne se voient pas de loin : nous sommes condamnés à ne découvrir que celles qui habitent un coin exigu d'espace autour de nous. On les recherche parmi les étoiles à forte parallaxe ou à grand mouvement propre. Actuellement on en connaît trois douzaines, la plupart ont été découvertes par Kuiper depuis 1935. La récolte peut sembler maigre, mais étant donné le petit volume où elles sont confinées, leur abondance par rapport aux autres catégories d'étoiles n'est pas négligeable. Reportons-nous à la figure 1 : les naines blanches dans l'espace sont probablement trois fois plus nombreuses que les géantes de toute espèce réunies (géantes qui se voient de loin et dont nos catalogues sont par suite sursaturés — ce qui fait illusion sur leur véritable fréquence). Puisque ces naines ne sont pas beaucoup plus rares que les étoiles de type solaire, il est impossible de les ignorer. Ce ne sont pas des cas d'exception, des pièces de musée : il devient nécessaire de leur faire une place dans la société régulière des étoiles, de trouver où et comment elles entrent dans l'histoire stellaire, quel rôle elles tiennent dans l'évolution normale des astres. L'intérêt de leur étude, pour l'Astronomie, est donc considérable. Un peu d'histoire. — L'éminent astronome H. N. Russell (le principal créateur du diagramme) nous a conté une anecdote, au cours du Congrès international tenu en 1939 à Paris, qui fait remonter à 1910 l'entrée dans la science d'une
sont probablement trois fois plus nombreuses que les géantes de toute espèce réunies (géantes qui se voient de loin et dont nos catalogues sont par suite sursaturés — ce qui fait illusion sur leur véritable fréquence). Puisque ces naines ne sont pas beaucoup plus rares que les étoiles de type solaire, il est impossible de les ignorer. Ce ne sont pas des cas d'exception, des pièces de musée : il devient nécessaire de leur faire une place dans la société régulière des étoiles, de trouver où et comment elles entrent dans l'histoire stellaire, quel rôle elles tiennent dans l'évolution normale des astres. L'intérêt de leur étude, pour l'Astronomie, est donc considérable. Un peu d'histoire. — L'éminent astronome H. N. Russell (le principal créateur du diagramme) nous a conté une anecdote, au cours du Congrès international tenu en 1939 à Paris, qui fait remonter à 1910 l'entrée dans la science d'une naine blanche. En 1910, donc, Russell travaillait à la recherche de distances stellaires et il avait découvert que toutes les étoiles de très petite luminosité étaient rouges : c'étaient des naines rouges. Pourtant l'une d'elles échappait à la règle qu'il avait cru découvrir : c'était 40 Eridani B que vous voyez en tête du tableau 2. Très peu lumineuse au total, elle était non point rouge, mais très blanche. « Même en ces temps paléozoïques, nous a dit Russell, j'en savais assez pour flairer là une anomalie grave : cette blancheur devait conduire à un volume dérisoire et à une valeur « impossible » de la densité ! » Désappointé par cette exception à une si belle règle de caractéristiques stellaires, Russell alla faire part de sa déconvenue à son maître Pickering. Pickering accueillit en souriant les plaintes de Russell et lui dit : « Ce sont justement ces exceptions qui font progresser notre connaissance ». Paroles prophétiques, puisque les naines blanches ont révélé un état insoupçonné de la matière et sont assurément les astres les plus prometteurs pour les progrès de la Physique. Russell ne fut point le seul à réagir et, de 1913 à 1917, trois autres astronomes
voyez en tête du tableau 2. Très peu lumineuse au total, elle était non point rouge, mais très blanche. « Même en ces temps paléozoïques, nous a dit Russell, j'en savais assez pour flairer là une anomalie grave : cette blancheur devait conduire à un volume dérisoire et à une valeur « impossible » de la densité ! » Désappointé par cette exception à une si belle règle de caractéristiques stellaires, Russell alla faire part de sa déconvenue à son maître Pickering. Pickering accueillit en souriant les plaintes de Russell et lui dit : « Ce sont justement ces exceptions qui font progresser notre connaissance ». Paroles prophétiques, puisque les naines blanches ont révélé un état insoupçonné de la matière et sont assurément les astres les plus prometteurs pour les progrès de la Physique. Russell ne fut point le seul à réagir et, de 1913 à 1917, trois autres astronomes éminents, Herszprung, Adams et van Maanen signalèrent trois étoiles contrariantes, associant une luminosité totale minuscule à une couleur insolemment blanche : c'étaient 40 Eridani B (l'étoile de Russell), Sirius B, et enfin van Maanen 2 (qui porte le nom de son découvreur), ces étoiles sont les 3 naines blanches classiques. Les masses et les densités. — Le conflit devint aigu par la connaissance des masses. La masse est un caractère très difficile à découvrir en Astronomie. À l'époque indiquée, une seule méthode permettait le calcul des masses : il fallait que l'astre considéré fût partie d'un couple et que l'orbite en fût convenablement étudiée. (Le calcul des masses des composantes du couple résulte de la 3e loi de Kepler). Cette méthode dynamique est encore la source la plus sûre de nos informations sur ce sujet. Par bonheur, les deux premières naines blanches font partie de systèmes binaires et leur masse est connue avec précision : la première a une masse moitié de celle du Soleil, la seconde a presque exactement la masse du Soleil (tableau 2). Il en résulte que la densité est à peu près la même pour ces deux naines et dépasse 150 000 par rapport à l'eau
Les masses et les densités. — Le conflit devint aigu par la connaissance des masses. La masse est un caractère très difficile à découvrir en Astronomie. À l'époque indiquée, une seule méthode permettait le calcul des masses : il fallait que l'astre considéré fût partie d'un couple et que l'orbite en fût convenablement étudiée. (Le calcul des masses des composantes du couple résulte de la 3e loi de Kepler). Cette méthode dynamique est encore la source la plus sûre de nos informations sur ce sujet. Par bonheur, les deux premières naines blanches font partie de systèmes binaires et leur masse est connue avec précision : la première a une masse moitié de celle du Soleil, la seconde a presque exactement la masse du Soleil (tableau 2). Il en résulte que la densité est à peu près la même pour ces deux naines et dépasse 150 000 par rapport à l'eau (plateforme 21,4) : chaque centimètre cube de leur volume, en moyenne, contient plus de 150 kilogrammes de substance. Un petit poids de cette matière hyperdense pèserait davantage que deux Français moyens. Au surplus, ces deux exemples sont les moins révolutionnaires de la série. Ils n'en entraînent pas moins des valeurs fantastiques, déjà, pour la pesanteur à la surface. Si nous prenons pour unité la valeur de g, intensité de la pesanteur à la surface de la Terre, nous savons qu'à la surface du Soleil, la pesanteur est 28 fois plus grande. Sur 40 Eridani B, elle devient 50 000 ; pour Sirius B elle atteint 65 000. Devant ces résultats fantastiques, on se demandait où était la faute commise, qui eût été responsable des densités « impossibles » auxquelles conduisait l'observation, lorsqu'en 1924, la situation s'éclaircit à la suite des travaux théoriques et de la découverte d'Eddington. Nulle faute n'avait été commise, les densités impossibles étaient bel et bien réelles : mais un phénomène, à la vérité bien connu, l'ionisation, entre en jeu, au sein des étoiles, avec une ampleur et une efficacité insoupçonnées jusqu'alors. Il est instructif, je crois, d'indiquer par quel détour vint la découverte. En 1924, Eddington
fantastiques, déjà, pour la pesanteur à la surface. Si nous prenons pour unité la valeur de g, intensité de la pesanteur à la surface de la Terre, nous savons qu'à la surface du Soleil, la pesanteur est 28 fois plus grande. Sur 40 Eridani B, elle devient 50 000 ; pour Sirius B elle atteint 65 000. Devant ces résultats fantastiques, on se demandait où était la faute commise, qui eût été responsable des densités « impossibles » auxquelles conduisait l'observation, lorsqu'en 1924, la situation s'éclaircit à la suite des travaux théoriques et de la découverte d'Eddington. Nulle faute n'avait été commise, les densités impossibles étaient bel et bien réelles : mais un phénomène, à la vérité bien connu, l'ionisation, entre en jeu, au sein des étoiles, avec une ampleur et une efficacité insoupçonnées jusqu'alors. Il est instructif, je crois, d'indiquer par quel détour vint la découverte. En 1924, Eddington s'intéressait aux étoiles géantes découvertes depuis quelques années (diagramme de Herzsprung-Russell, fig. 3). Ces astres immenses ont des densités moyennes très faibles, tandis qu'une étoile ordinaire comme le Soleil a pour densité moyenne 1,4 par rapport à l'eau. Nul n'aurait songé à attribuer à une substance plus dense que l'eau les propriétés des gaz. Mais Eddington espéra que les géantes se comporteraient comme des gaz parfaits (au moins dans la majeure partie de leur volume) et il reprit de très vieux calculs de Homer Lane sur les sphères de gaz parfait (1869), calculs qui avaient paru sans portée astronomique et avaient sombré dans l'oubli. De ses travaux, Eddington déduisit pour les géantes une relation fort intéressante, dite relation masse-luminosité, qui détermine la masse, quand la luminosité est connue et inversement. Voici la courbe, ajustée sur Capella, étoile géante (fig. 4). Eddington eut l'extrême surprise de voir sa relation établie pour les géantes, s'appliquer aussi bien à toutes les étoiles. Le Soleil, naine jaune, se place fort bien sur la courbe, de même que les naines rouges, beaucoup plus denses que lui. Il en résulte que les étoiles même naines, même très denses, se comportent dans toute leur étendue comme des
les propriétés des gaz. Mais Eddington espéra que les géantes se comporteraient comme des gaz parfaits (au moins dans la majeure partie de leur volume) et il reprit de très vieux calculs de Homer Lane sur les sphères de gaz parfait (1869), calculs qui avaient paru sans portée astronomique et avaient sombré dans l'oubli. De ses travaux, Eddington déduisit pour les géantes une relation fort intéressante, dite relation masse-luminosité, qui détermine la masse, quand la luminosité est connue et inversement. Voici la courbe, ajustée sur Capella, étoile géante (fig. 4). Eddington eut l'extrême surprise de voir sa relation établie pour les géantes, s'appliquer aussi bien à toutes les étoiles. Le Soleil, naine jaune, se place fort bien sur la courbe, de même que les naines rouges, beaucoup plus denses que lui. Il en résulte que les étoiles même naines, même très denses, se comportent dans toute leur étendue comme des gaz parfaits. C'est en méditant sur cette anomalie apparente qu'Eddington découvrit le rôle de l'ionisation au sein des étoiles. L'ionisation. — Aux températures ordinaires, les atomes se conduisent comme de petits corps rigides, et quand ils arrivent à se toucher, comme dans nos liquides et nos solides, la matière devient, pour nous, incompressible. Pourtant chaque atome est un édifice extraordinairement vide. Son apparente rigidité provient de ce qu'il défend efficacement les approches d'un certain domaine, dont le rayon est de quelques angströms (10-8 cm.). Mais, en fait, presque toute la masse de l'atome réside dans un noyau central minuscule d'un rayon encore dix mille fois plus petit (quelques 10-12 cm.). Ce noyau est plongé dans un nuage d'électrons légers (particules d'électricité négative), de dimensions analogues à celles du noyau (moins de 10-12 cm.) Evoquons une image agrandie de l'atome : une bille de plomb de 1 centimètre environ de rayon, entourée d'un petit nombre de balles de coton de dimensions analogues dispersées dans une sphère de 1 kilomètre de diamètre, domaine de protection de l'atome. On conçoit pourquoi un noyau ou un électron lancés peuvent traverser sans choc des millions d'atomes à la file : l'atome est transparent, si j'ose