Alpha Orionis (Bételgeuse)

Note : Cette page a été éditée pour modifier les magnitudes des étoiles de comparaison Procyon (0,5 à 0,4 V) et Aldébaran (1,1 à 0,9 V) et pour ajouter le lien vers la carte disponible via le tutoriel 10 étoiles de l’AAVSO. – Elizabeth O. Waagen, 6 janvier 2020

Bételgeuse

Atmosphère de Bételgeuse – Alpha Orionis
Télescope spatial Hubble – Faint Object Camera
15 janvier 1996 ; A. Dupree (CfA), NASA, ESA

Du ciel de la ville ou de la campagne, de presque toutes les régions du monde, la figure majestueuse d’Orion domine le ciel à cette époque de l’année avec sa ceinture, son épée et sa massue. Au sommet de son épaule gauche (pour ceux d’entre nous qui vivent dans l’hémisphère nord) se trouve la grande supergéante rouge pulsante, Bételgeuse (Alpha Orionis 0549+07). Ayant récemment acquis la célébrité pour avoir été la première étoile dont l’atmosphère a été directement imagée (illustrée ci-dessus), Alpha Orionis captive l’attention des observateurs depuis des siècles.

La variabilité de Bételgeuse a été remarquée pour la première fois par Sir John Herschel en 1836. Dans ses Outlines of Astronomy, publiées en 1849, Herschel écrit « Les variations d’Alpha Orionis, qui étaient les plus frappantes et sans équivoque dans les années 1836-1840, dans les années écoulées depuis sont devenues beaucoup moins voyantes » En 1849, les variations ont de nouveau commencé à augmenter en amplitude, et en décembre 1852, Herschel pensait qu’elle était « en fait la plus grande étoile de l’hémisphère nord ». En effet, lorsqu’elle est à son maximum, Bételgeuse atteint parfois la magnitude 0,4, devenant alors une concurrente féroce de Rigel ; en 1839 et 1852, certains observateurs la considèrent comme presque l’égale de Capella. Les observations des observateurs de l’AAVSO indiquent que Bételgeuse a probablement atteint la magnitude 0,2 en 1933, puis en 1942.

Orion

Depuis l’île de La Palma dans l’archipel des Canaries, cette image montre clairement Orion avec Bételgeuse dans le coin supérieur gauche.
Crédit : A. Vannini, G. Li Causi, A. Ricciardi, A. Garatti

Lorsque la luminosité est minimale, comme en 1927 et 1941, la magnitude peut descendre en dessous de 1,2. Bételgeuse est une supergéante rouge pulsante semi-régulière. On pense qu’elle a au moins la taille de l’orbite de Mars et qu’à son diamètre maximal, elle pourrait égaler l’orbite de Jupiter. L’étoile est l’une des plus grandes connues ; des études spectroscopiques montrent que le diamètre de l’étoile peut varier d’environ 60% pendant tout le cycle, une différence considérablement plus grande que le rayon de l’orbite de la Terre !

Betelgeuse est non seulement parmi les plus grandes, mais aussi l’une des étoiles les plus lumineuses de sa catégorie. À une distance d’environ 425 années-lumière, elle est la septième étoile la plus brillante de l’hémisphère nord. Son diamètre, basé sur les nouvelles distances récemment rapportées par le satellite HIPPARCOS de l’Agence spatiale européenne, est environ 1500 fois le diamètre de notre Soleil (Communiqué de presse, 1996). Bételgeuse a une luminosité d’environ 14 000 soleils au maximum et 7600 soleils au minimum. La magnitude absolue maximale de Bételgeuse est d’environ -5,6. La température de surface est celle d’une supergéante rouge typique de type M, soit environ 3100 degrés Kelvin. Seulement environ 13% de l’énergie radiante est émise sous forme de lumière visible, donc si nos yeux étaient sensibles au rayonnement à toutes les longueurs d’onde, Bételgeuse apparaîtrait comme l’étoile la plus brillante du ciel. (Burnham, 1966).

Le bord extérieur de l’enveloppe circumstellaire de Bételgeuse s’étend sur bien plus d’un billion de kilomètres depuis l’étoile – la lumière de l’étoile met donc deux bons mois à s’échapper de l’enveloppe gazeuse. Dans les confins de ce vaste globe, la densité est extrêmement faible. En volume, Bételgeuse dépasse le Soleil d’un facteur d’au moins 160 millions, même au minimum. Pourtant, la masse réelle de l’étoile n’est probablement pas supérieure à environ 20 masses solaires, ce qui signifie que la densité moyenne doit être comprise entre 0,00000002 et 0,00000009 de la densité de notre Soleil. La densité de ce matériau stellaire est inférieure à un dix millième de la densité de l’air ordinaire. Une étoile de cette nature ténue a souvent été appelée un  » vide rougeoyant  » (Burnham, 1966).

Lumières, caméra, action . . . Bételgeuse entre en scène !

Depuis le début du siècle, Bételgeuse a tenu un rôle central dans la recherche stellaire, les tests d’observation et l’imagerie photographique en raison de sa taille énorme et de sa forte luminosité.

L’interféromètre à faisceau de Michelson mesure le diamètre de Bételgeuse (1920)

Albert A. Michelson
Albert A. Michelson est devenu le premier Américain à recevoir un prix Nobel de physique, en 1907.
En 1920, Bételgeuse est devenue la première étoile dont le diamètre a été mesuré au moyen de l’interféromètre à faisceau inventé par Albert A. Michelson. Cet instrument a été testé pour la première fois sur le télescope de 100 pouces du Mont Wilson le 13 décembre 1920. Bételgeuse a été choisie comme premier objet d’essai car les calculs théoriques avaient suggéré que cette étoile était d’une taille inhabituelle. L’expérience fut un succès et on découvrit que la taille angulaire apparente de Bételgeuse était en moyenne d’environ 0,044 seconde d’arc.

Il est important de se rappeler que les mesures directes de l’interféromètre ne peuvent être utilisées qu’avec de grandes étoiles. La majorité des étoiles repose sur des méthodes plus indirectes pour déterminer les tailles stellaires. Actuellement, des interféromètres sophistiqués font de grands progrès en astronomie. Ces instruments, qui utilisent un groupe de télescopes très espacés dont les observations séparées sont combinées en une seule image, améliorent la résolution des structures sur les surfaces stellaires. L’interféromètre Keck, IOTA (Infrared Optical Telescope Array) et CHARA (Center for High Angular Resolution Astronomy) ne sont que quelques exemples d’interféromètres utilisés aujourd’hui.

Interféromètre à 20 pieds
Interféromètre à faisceau de Michelson

La théorie et l’utilisation de cet instrument sont expliquées dans les textes d’optique ; en gros, il consiste en un système de miroirs qui peuvent être déplacés aux extrémités opposées d’un faisceau logarithmique monté en travers de la bouche du télescope. Les miroirs d’extrémité reçoivent la lumière de l’étoile et la dirigent dans le tube principal, augmentant ainsi l’ouverture effective du télescope de 8 fois ou plus. Lorsque les images des deux miroirs d’extrémité sont superposées dans le champ du télescope, un motif de franges d’interférence est créé. Lorsqu’on rapproche et éloigne alternativement les miroirs l’un de l’autre, on constate que le motif change et disparaît complètement en un point. La séparation des miroirs nécessaire pour annuler les franges d’interférence est soigneusement mesurée, et une formule optique donne alors le diamètre de la source lumineuse, en fractions de seconde d’arc.

L’interférométrie de peckle révèle des variations de luminosité sur Bételgeuse. (1975)

Étoile scintillante

Voici à quoi ressemble réellement une étoile depuis la surface de la terre. En raison des turbulences atmosphériques, les étoiles semblent « scintiller ». Cliquez sur l’image de Bételgeuse ci-dessus pour voir comment le vent et l’air affectent notre vue (dix fois plus lentement que la vitesse réelle).
Crédit : Applied Optics Group (Imperial College), Herschel 4.2-m Telescope

Bételgeuse est l’une des rares étoiles du ciel dont le disque réel est théoriquement à portée de détection des grands réflecteurs ; le diamètre angulaire apparent est d’environ 0,05 seconde d’arc alors que le pouvoir de résolution théorique d’un réflecteur de 200 pouces est d’environ 0,02 seconde d’arc. Cependant, en raison de l’instabilité incurable de l’atmosphère terrestre, la performance des grands réflecteurs terrestres n’atteint jamais la limite théorique. D’autre part, grâce à une combinaison de techniques photographiques spéciales et d’amélioration des images par ordinateur, certains détails réels du disque de Bételgeuse ont été rendus visibles pour la première fois, à l’observatoire national de Kitt Peak, en 1975. En utilisant le réflecteur Mayall de 158 pouces avec un intensificateur d’image, les astronomes ont obtenu des photographies qui ont été réduites en données magnétiques et introduites dans le système interactif de traitement d’image (IPPS) qui peut être ajusté pour améliorer toute caractéristique présente dans les images. Après avoir pris des centaines de courtes expositions qui ont « gelé » la distorsion atmosphérique, les astronomes ont reconstruit une seule image nette de Bételgeuse à partir de celles-ci. Cette technique, appelée interférométrie par speckle, a révélé des variations de luminosité sur le disque de cette étoile supergéante. Les marbrures du disque et les grandes zones crépusculaires révélées par cette méthode sont de toute évidence de véritables caractéristiques sur l’étoile ; elles représentent des zones de température et d’intensité lumineuse différentes, comparables aux éruptions lumineuses et aux taches sombres observées sur notre propre Soleil.

L’interférométrie par peckle révèle de la poussière et des compagnons autour de Bételgeuse (1985)

Bételgeuse

Reconstruite à partir de motifs d’interférence, cette image en fausses couleurs de Bételgeuse révèle un « point chaud » qui pourrait correspondre à une énorme colonne de gaz ascendant.
Image reproduite avec l’aimable autorisation de David Busher et du télescope William Herschel.

Francois et Claude Roddier ont construit une image d’Alpha Orionis et ont trouvé des indications de poussière à proximité de l’étoile supergéante rouge. Leurs données ont été recueillies en 1980 avec un interféromètre et le télescope Canada-France-Hawaii. Pour expliquer l’apparence asymétrique de Bételgeuse, ils privilégient l’idée qu’une grande partie de la lumière enregistrée provient d’une enveloppe de poussière irrégulière proche du disque stellaire. Les détails concernant leurs travaux sont rapportés dans les Astrophysical Journal Letters du 1er août 1985.

Cependant, la poussière n’est pas la seule chose qui entoure Bételgeuse. Margarita Karovska, une associée des Roddier désormais basée au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, a annoncé en 1985 que la célèbre supergéante rouge avait deux compagnons proches. Ses résultats sont basés sur des travaux d’interférométrie par speckle effectués au début des années 1980 à Kitt Peak, en Arizona, et à Cerro Tololo, au Chili. Elle a révélé que la plus interne des deux étoiles tourne autour de Bételgeuse tous les deux ans environ à une distance moyenne d’environ 5 unités astronomiques et que l’on sait peu de choses sur le compagnon externe, si ce n’est qu’il se trouve à quelque 40 ou 50 unités astronomiques de Bételgeuse (décembre 1985, Sky and Telescope).

Le télescope spatial Hubble capture la première image directe d’une étoile (1995)

La première image directe de la surface d’une étoile autre que le Soleil, a été réalisée en 1995 avec la Faint Object Camera du télescope spatial Hubble de notre désormais célèbre supergéante Bételgeuse. L’image Hubble révèle une énorme atmosphère ultraviolette et un mystérieux point chaud à la surface de ce mastodonte stellaire. L’énorme point lumineux, qui fait plus de dix fois le diamètre de la Terre, est au moins 2 000 degrés Kelvin plus chaud que la surface de l’étoile.

Betelgeuse

Atmosphère de Bételgeuse directement imagée en lumière ultraviolette avec la Faint Object Camera le 3 mars 1995.
Courtesy A. Dupree, R. Gilliland, et NASA.

L’image suggère qu’un phénomène physique totalement nouveau pourrait affecter l’atmosphère de certaines étoiles. Des observations de suivi seront nécessaires pour aider les astronomes à comprendre si la tache est liée à des oscillations précédemment détectées dans l’étoile géante, ou si elle se déplace systématiquement à la surface de l’étoile sous l’emprise de puissants champs magnétiques.

Les observations ont été réalisées par Andrea Dupree du Harvard- Smithsonian Center for Astrophysics à Cambridge, MA, et Ronald Gilliland du Space Telescope Science Institute à Baltimore, MD, qui ont annoncé leur découverte lors de la 187e réunion de l’American Astronomical Society à San Antonio, Texas.

La supergéante semi-régulière

Courbe de lumière à long terme

Cliquez sur l’image ci-dessus pour une courbe de lumière à long terme d’Alpha Orionis.

Les variations de lumière de Bételgeuse ne sont pas complètement comprises, cependant, comme l’étoile a été étudiée de manière approfondie, il existe des théories qui décrivent les phénomènes observés. Les astronomes pensent que les couches externes de l’étoile se dilatent lentement pendant plusieurs années, puis se rétractent à nouveau, de sorte que la surface augmente et diminue alternativement, et que la température augmente et diminue, ce qui fait que l’étoile s’éclaire et s’assombrit. Les supergéantes rouges pulsent de cette façon parce que leur atmosphère n’est pas tout à fait stable. Lorsque l’étoile est la plus petite, l’atmosphère absorbe un peu trop l’énergie qui la traverse, si bien que l’atmosphère se réchauffe et se dilate. En se dilatant, elle devient plus mince. L’énergie traverse alors plus facilement les couches extérieures, si bien que les gaz se refroidissent et que l’étoile rétrécit à nouveau.

Un communiqué du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics annonçant la première image directe d’une étoile (Bételgeuse), suggère que cet événement a de nouvelles implications pour la recherche stellaire. Les chercheurs ont déclaré que cette nouvelle image de Bételgeuse suggère qu’un phénomène physique totalement nouveau pourrait affecter l’atmosphère de certaines étoiles. « Ce que nous voyons sur Bételgeuse est complètement différent de ce qui se passe à la surface du Soleil », a déclaré Dupree, un scientifique principal au CfA. « Au lieu d’un grand nombre de petites taches solaires, nous trouvons une énorme zone brillante plus de 2 000 K degrés plus chaude que la surface environnante de l’étoile. » Cependant, tant que les observations de suivi de Bételgeuse ne seront pas terminées, les astronomes ne connaîtront pas la véritable nature de la tache mystérieuse – ou comment elle s’est formée.

Dupree explique que la tache pourrait changer de position au fil du temps. Dupree et ses collègues utilisant l’International Ultraviolet Explorer ont trouvé une période de 420 jours, pendant laquelle l’étoile oscille, ou « sonne » comme une cloche. Ces oscillations, que l’on pense être causées par des turbulences sous la surface de l’étoile, pourraient provoquer des changements dans le point lumineux. Selon M. Dupree, les futures oscillations pourraient faire apparaître d’autres points lumineux dans différentes régions de la surface de l’étoile, ce qui les ferait clignoter comme les lumières clignotantes d’un arbre de Noël. Il se pourrait également que le point lumineux se déplace systématiquement à la surface de l’étoile, ce qui impliquerait que l’étoile possède des champs magnétiques suffisamment puissants pour maintenir en place le gaz chaud du point lumineux. L’un ou l’autre de ces scénarios amènerait les astronomes à repenser complètement leurs idées actuelles sur l’évolution des étoiles. « Nous espérons que ces travaux ouvriront également la voie à une génération d’interféromètres spatiaux », a déclaré M. Dupree. De tels instruments amélioreraient considérablement la résolution des structures sur les surfaces stellaires.

La classe des semi-régulières

Betelgeuse est classée comme une variable semi-régulière de type SRc. Les distinctions entre les étoiles Mira, les Semiregulaires, les Irrégulières et les étoiles RV Tauri sont un peu floues et sont généralement discutées ensemble en raison de leurs similitudes. Comme Bételgeuse est classée comme une variable semi-régulière, notre discussion se concentrera sur ces types d’étoiles. Les variables semi-régulières sont des étoiles géantes et supergéantes froides (rouges) post-séquence principale. Il existe quatre groupes de variables semi-régulières (SRa, b, c, et d). Les descriptions de ces classes suivent :

SRa – Ces étoiles ont des périodes supérieures à 35 jours, des amplitudes V inférieures à 2,5 magnitudes et une variabilité régulière. Elles sont similaires aux étoiles Mira dans leur périodicité mais se distinguent par leur plus petite amplitude. Un membre typique de ce sous-groupe est l’étoile Z Aqr.

SRb – Ce sont également des étoiles de petite amplitude mais dont les variations lumineuses sont moins régulières que celles des étoiles SRa. Les étoiles SRb ont des périodes supérieures à 20 jours et des amplitudes V inférieures à 2,5 magnitudes. Bien que la forme de la période soit évidente, elle devient inopérante de temps en temps. Un exemple d’étoile SRb est Z UMa.

SRc – Ce sont les supergéantes qui sont des étoiles extrêmement lumineuses. Elles ont de faibles amplitudes et des arrêts occasionnels. Bételgeuse est classée comme une variable de type SRc.

SRd – Géantes jaunes et supergéantes des classes spectrales F-K : un groupe peu homogène. Elles sont beaucoup plus chaudes que les autres semi-régulières et présentent parfois des irrégularités.

Défi de l’observateur

Les pistes d'Orion

Les couleurs des étoiles d’Orion
Crédit & Copyright : David Malin
La température détermine la couleur d’une étoile, ce qui est illustré de façon spectaculaire ci-dessus dans les traînées d’étoiles d’Orion.

Betelgeuse est une étoile difficile à observer en raison de sa rougeur, du manque d’étoiles de comparaison bien placées (c’est-à-dire proches) et de sa faible amplitude. Il est également préférable de comparer une étoile rouge avec une autre étoile rouge à peu près à la même altitude. Bien qu’il s’agisse d’un défi à observer, il est encourageant que Bételgeuse soit si brillante et facile à trouver. Les observateurs pourraient créer un programme d’observation dans lequel vous observeriez Alpha Ori dans les mois à venir une fois par semaine. Essayez de ne pas comparer vos observations avec celles de notre recherche WebObs ou du générateur de courbes de lumière pour éviter tout biais dans votre estimation et voir si vous pouvez vraiment détecter la variabilité lumineuse de cette supergéante. Les observateurs en photométrie sont particulièrement encouragés à observer cette étoile de faible amplitude. En fait, Bételgeuse fait partie du programme d’observation photoélectrique de l’AAVSO depuis le début des années 1980. John Percy, un membre actif de l’AAVSO, suggère un bon programme d’observation d’Alpha Ori dans cet e-mail au forum de discussion de l’AAVSO. Lorsque vous observez pour l’AAVSO, veuillez utiliser une magnitude de 0,4 pour Procyon (alpha CMi) et une magnitude de 0,9 pour Aldebaran (alpha Tauri). Une carte à l’échelle de l’AAVSO est également disponible. La carte la plus pratique est celle du AAVSO 10-Star Tutorial. L’année prochaine, avec la première vue d’Orion dans votre ciel, n’oubliez pas d’observer à nouveau Bételgeuse. Envoyez vos observations à l’AAVSO pour qu’elles soient intégrées dans notre base de données internationale. Pour plus d’aide sur la façon d’observer les étoiles variables, visitez notre page des observateurs, ou contactez l’AAVSO.

Bételgeuse, Bételgeuse, Bételgeuse

Le nom « Bételgeuse » est un dérivé corrompu de la nomenclature arabe originale en raison de transcriptions et translittérations répétées pendant de nombreux siècles. Selon George A. Davis (S&T avril 1995, 237), la plupart des gens s’accordent à dire que la dernière syllabe du nom vient du substantif arabe al-Jawza’. La signification « originelle » de ce mot désigne un mouton noir avec une tache blanche au centre de son corps, cependant les spécialistes ont interprété le sens comme venant d’un mot arabe similaire, jauz, qui signifie « le centre de quelque chose » ou « le central ». Davis pense que la véritable origine du nom est Yad al-Jawza’, « le pied avant du mouton à ventre blanc », un point diacritique manquant sous le ya dans Yad, ce qui donne la syllabe translittérée bad ou bed. Le changement d’un d en un t n’a pas besoin d’explication, et a ainsi évolué le nom actuel, « Bételgeuse ».

Sur une note latérale cinématographique intéressante, cette « lettre à l’éditeur » de Michael McDowell de Los Angeles, Californie, est apparue dans le numéro d’avril 1989 du magazine Sky and Telescope. Bételgeuse : The Movie

J’aimerais assurer à tous les lecteurs de Sky and Telescope que le film Beetlejuice, qui sort actuellement en vidéocassette chez Warner Bros, Inc, tire effectivement son titre de l’étoile géante rouge d’Orion. En fait, lorsque le nom apparaît par écrit dans le film, il est rendu sous sa forme officielle plutôt que sous sa forme phonétique. Je devrais le savoir : j’ai écrit le scénario original !

Pendant les quatre années que j’ai passées avec le projet à Hollywood, j’ai été à plusieurs reprises satisfait – et quelque peu étonné – par les gens qui répondaient au titre Beetlejuice par la question « Oh, vous voulez dire comme l’étoile ? ». Quelqu’un a même suggéré que la suite s’appelle Sanduleak -69 202, d’après le précurseur de la supernova 1987A.

Nous espérons que vous apprécierez cette belle étoile pendant les deux prochains mois. Essayez de ne pas la confondre avec les nez rouges clignotants qui pourraient se trouver dans la région ;). Bonnes fêtes de fin d’année à tous !

Pour plus d’informations

  • Burnham, Robert Jr. ; Burnham’s Celestial Handbook, v.2, Dover Publications, New York, p.1280-1299, 1966.
  • Davis, G.A. ; « The Meaning of Betelgeuse », Sky and Telescope, p.237, avril, 1955.
  • Gilliland, R. ; Dupree, A.K. ; « First Image of the Surface of a Star with the Hubble Space Telescope », Astrophysical Journal Letters, v. 463, p. L29, 1996.
  • Goldberg, Leo ; « La variabilité d’Alpha Orionis », Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 96, 366-371, mai 1984.
  • Goldberg, Leo ; « Activité sur Bételgeuse », Mercure, p.82, Mai-Juin, 1984.
  • Hoffmeister, C. ; Richter, G. ; Wenzel, W. ; Variable Stars, Springer-Verlag, Berlin, pp.68-69, 1985.
  • Levy, D. ; Jedicke, P. ; « Betelgeuse », Astronomy, p.7-13, Avril, 1987.
  • Letters to the Editor, « Betelgeuse : The Movie », Sky and Telescope, p.349, 77, no.4, avril, 1989.
  • Notes d’actualité, « Bételgeuse : Dust and Companions », Sky and Telescope, p.547, décembre, 1985.
  • Nouvelles, « Spotting Betelgeuse’s Spots with Hubble », Sky and Telescope, p.11, Avril, 1996.
  • Communiqué de presse, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, « Astronomers Capture First Direct Image of a Star », 1996.
  • Communiqué de presse, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, HST Observations of the Pulsating Star Betelgeuse », 1997.
  • Star Gazer de Jack Horkheimer, « Une grande étoile rouge pour la Saint-Valentin, battant lentement comme un cœur cosmique géant »
  • Une brève histoire de l’interférométrie stellaire

L’étoile variable du mois a été préparée par Kate Davis, assistante technique de l’AAVSO, Web.

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