Ces étoiles minuscules, composantes essentielles de la galaxie, sont responsables de phénomènes spectaculaires, comme les novae ou certaines super-nova. Mais les naines blanches se sont aussi révélées un fantastique outil pour la physique du XXème siècle, fournissant des confirmations éclatantes de deux grandes théories: la relativité générale et la mécanique quantique.

"D'étranges objets qui persistent à montrer un spectre totalement contradictoire avec leur luminosité peuvent en définitive nous apprendre beaucoup plus de choses que tous les astres qui rayonnent selon les règles. " Tel était le diagnostic réaliste, mais quelque peu désabusé, que porter l'astronome anglais Arthur Eddington en 1922, peu après la découverte des premières naines blanches. La nouvelle classe d'étoiles n'entrait en effet d'un aucune catégorie connue. Ces astres violaient toutes les règles qu'Eddington venait justement d'établir pour expliquer la diversité stellaire et qu'il allait bientôt publier dans un ouvrage magistral, la constitution interne des étoiles. Ils présentaient la faible luminosité des plus petites étoiles naines mais jointe à une haute température qui les faisait apparaître d'une éclatante couleur bleu - blanc. Ces "naines blanches " allaient une plus formidables énigmes du début de ce siècle.
Nous savons à présent que les naines blanches sont des micro-étoiles tout à fait extraordinaires, ayant la taille d'une planète et la masse d'un soleil ! Elles renferment une matière sous un état très particulier et inconnu sur Terre, avec une densité de une tonne pour chaque centimètre cube, soit 1 million de fois plus élevée que celle de la matière ordinaire - il faudrait un train de marchandises entier pour transporter un seul litre de cette matière. Ces astres exotiques ne sont pas pour autant des raretés. Il s'agit au contraire d'une des espèces les plus répandues dans la galaxie. Une étoile sur dix est aujourd'hui une naine blanche et nous sommes nous-mêmes environnés de ces astres à la luminosité discrète. Dans un rayon de moins de vingt années lumière autour de la Terre, on en compte huit parmi lesquels Sirius B et Procyon B, les compagnons de deux étoiles très brillantes. Il en naît environ 160 par millénaire et leur nombre, actuellement de 8 à 10 milliards , ne cesse d'augmenter. Notre soleil lui-même deviendra une naine blanche dans quelques 5 milliards d'années. Et dans le futur bien plus lointain - 1000 milliards d'années -, elles auront colonisé toute la galaxie et représenteront 90 % de sa masse, bien que certaines de ces naines blanches soient alors si peu lumineuses que l'on pourra les considérer comme des "naines vint noires ".

Leur découverte remonte à plus d'un siècle mais il a fallu près de soixante-dix ans de débats passionnés pour comprendre enfin leur message. Le premier indice fut fournit par Friedrich Bessel. Ce mathématicien s'intéressait également à l'astronomie, et plus particulièrement en mouvement sur le ciel des étoiles Sirius et Procyon. Il fut le premier à s'apercevoir que ce mouvement était très irrégulier et, en 1844, il en arriva à la conclusion que ces irrégularités étaient dues à l'attraction d'une deuxième étoile " invisible ". Stupéfait de sa conclusion, il confia dans une lettre à Alexander Humboldt: "j'adhère a la conviction que Procyon et Sirius forment de vrai systèmes doubles consistant d'une étoile visible et d'une étoile invisible. Il n'y a aucune raison de penser que la luminosité soit une qualité essentielle des corps célestes. Et la visibilité d'innombrables étoiles n'est pas un argument contre l'invisibilité d'innombrables autres. " Il venait d'inventer le concept de matière " noire ". Au passage, l'amplitude des perturbations lui permettait de conclure que ces astres compagnons avaient une masse assez proche de celle du Soleil. Moins de vingt ans plus tard, le 1 janvier 1862, à la mise en service de la première grande lunette moderne construite par la famille Clark près de Boston, le compagnon "invisible" de Sirius fut aperçu pour la première fois. Il s'agissait d'une étoile incroyablement peu lumineuse, 10000 fois plus faible que Sirius, et qui fut dès lors cataloguée comme étoile naine.
Le problème se compliqua en revanche lorsque, après de multiples efforts, l'astronome Walter Adams parvint enfin à obtenir en 1914, grâce au télescope du mont Wilson, une première indication sur la couleur et la température du compagnon de Sirius , baptisé Sirius B. Contrairement à toutes les prédictions, la petite étoile n'avait pas la couleur rouge caractéristique des étoiles naines. Elle apparaissait avec presque la même couleur blanche que son éclatant compagnon, trahissant ainsi une température très élevée. L'énigme des " de naines blanches " commençait.

Avec une telle température, chaque centimètre carré de la surface de l'étoile devrait dégager une énergie colossale. Comment dès lors expliquer son très faible éclat ? Eddington arrivera le premier à l'incroyable conclusion. La surface de l'étoile devait ridiculeusement petite. Avec la température et la luminosité évaluées à l'époque, il calcula un rayon de tout juste 20000 Km et annonça : ''[avec Sirius B ] nous avons une étoile de masse égale à celle du Soleil et de rayon beaucoup plus petit que celui de la planète Uranus !''. La nouvelle fit l'effet d'un séisme et Sirius B la une des journaux. Même un profane pouvait calculer l'incroyable densité d'une telle étoile : plusieurs centaines de tonnes par litre, des milliers de fois plus que tout ce qui existait sur Terre. Et Eddington de conclure : ''Adams à confirmé nos soupçons qu'une matière deux mille fois plus dense que le platine est non seulement possible mais existe dans l'Univers.''
Rien, dans la physique classique, n'empêchait Eddington d'envisager de telles densités. La matière ordinaire est en effet pleine de ''vides'' imposés par la distance entre les atomes, et comprimer ces vides revenait à augmenter la densité sans pour autant violer les lois de la physique. En revanche, le destin de cette matière devenait problématique et Eddington pointa un paradoxe. En effet, tant que l'étoile possédait une certaine énergie, par exemple sous forme de chaleur emmagasinée, celle-ci pouvait s'opposer à la gravité et maintenir un équilibre. Mais lorsque cette chaleur diminuait, comment conserver cet équilibre ? Selon Eddington, la seule forme stable de matière sans réelle source d'énergie était la matière ordinaire. L'étoile se devait donc de revenir aux densités ordinaires bien qu'aucun mécanisme ne semblât en mesure de réaliser cet effort contre la gravité. Là résidait le paradoxe de la physique d'Eddington en 1926.
Mais, à cette époque, le monde changeait de façon radicale. De nouveaux talents tournaient le dos aux concepts classiques en explorant les conséquences d'une toute nouvelle vision statistique de la physique: la mécanique quantique. Déjà Enrico Fermi et Paul Dirac avaient établi le comportement d'un gaz en tenant compte des propriétés "quantiques " des électrons établies par Wolfgang Pauli. Celui-ci avait démontré l'existence d'un principe d'exclusion empêchant les électrons de se rapprocher indéfiniment. C'est à l'aide de ce nouveau principe que l'astronome de Cambridge Ralph Fowler leva enfin le paradoxe d'Eddington dans un article intitulé " au sujet des étoiles denses " , publié le 10 décembre 1926.

Le secret des naines blanches était quantique. Elles pouvaient subsister indéfiniment parce que les électrons refusaient de se rapprocher et maintenaient une pression d'autant plus grande qu'on les comprimait, même sans aucune source d'énergie. Cette pression inconnu en physique classique n'apparaît que dans l'état particulier très dense de la matière, et les physiciens pour cette raison la désignent sous le nom de '' pression dégénérée des électrons''. Un indien de Madras acheva à l'âge de démythifier les étoiles quantiques calculant, durant les dix-huit jours de bateau qui le menaient en juillet 1930 à Cambridge, la structure exacte d'une naine blanche avec, au passage, la masse maximale que pouvaient supporter de telles étoiles. Ce jeune prodige, Subrahmanyan Chandrasekhar , dut mener une incroyable bataille contre Eddington des années durant pour faire accepter ses idées il ne reçut le prix Nobel qu'en 1983. L'existence même des naines blanches était depuis longtemps établie comme une des plus éclatantes confirmations de la nouvelle physique quantique.

Les naines blanches n'apparaissent pas comme par miracle dans l'univers. Elles sont la fin de vie inévitable de la majorité des étoiles de la galaxie et leur origine est parfaitement élucidée. Le meilleur exemple nous est donné par le soleil. Après avoir brûlé en son centre tout son hydrogène en hélium, celui-ci va lentement gonfler, évoluant vers l'état de géante rouge. D'après les dernières estimations, dans quelque 7,6 milliards d'années, il engloutira Mercure et entrera alors dans des oscillations répétées au cours desquelles il perdra une partie importante de sa masse. L'hélium de son coeur se transformant en oxygène , il deviendra 1000 fois plus lumineux et le sommet de son atmosphère atteindra la Terre. Puis, 300 millions d'années plus tard, une fois son hélium épuisé, le soleil s'effondrera brutalement. La source d'énergie sera tarie et plus rien ne pourra pour le moment s'opposer à la gravité. Le soleil se dégonflera comme un ballon crevé. Sa masse ne sera plus que de 50 à 70 % de la masse de départ. Composé presque exclusivement de carbone et d'oxygène, il ne possèdera plus aucune source d'énergie mais la chaleur dégagée par la contraction sera-t-elle que la température dépassera le million de degrés , illuminant la matière environnante. Vu de l'extérieur, le système solaire sera devenu une nébuleuse planétaire avec, en son centre , un astres minuscule et très chaud. De géante rouge, le soleil passera naine blanche, de la taille de la Terre.

À ce stade, la matière comprimée subira d'importantes transformations. Il n'y aura désormais plus de chimie possible car les atomes seront si proches que leurs cortèges d'électrons s'interpénétreront, forme un gaz uniforme environnant les noyaux. C'est ce gaz d'électrons qui contient le secret quantique des naines blanches. Selon le principe d'exclusion de Pauli, les électrons ne peuvent pas se rapprocher indéfiniment. Chacun a en quelque sorte sa propre sphère d'influence, et une petite cellule interdite aux autres. Lorsque la matière est comprimée et que cette cellule se rétrécit, l'électron réagit en venant rebondire de plus en plus fort contre les parois, comme la balle de squash dans une salle dont les murs se rapprocheraient de plus en plus. À eux seuls, les électrons exercent une fantastique pression. Cette résistance à l'écrasement suffit à contrer l'effet de la gravité, à condition que la masse ne dépasse pas la fameuse " limite de Chandrasekhar " . A la différence de la pression habituelle des gaz, liée à l'agitation thermique et donc à la température, cette pression "dégénérée" existe par la seule nature " quantique "des électrons, et est indépendante de la température. D'où une des particularités étonnantes des naines blanches: leur structure et leur taille sont établies une fois pour toutes dès que l'équilibre est trouvé. À la différence des autres étoiles, le rayon d'une naine blanche ne se réajusteras pas en fonction de la température et de l'énergie émise. Il n'évoluera plus, alors que l'astre va constamment se refroidir. Résultat: une fois formée, la naine blanche sera une étoile stable du durée de vie quasi illimitée.

Les naines blanches possèdent une structure tout à fait unique. Lorsque l'une d'elles vient de se former au centre d'une nébuleuse planétaire, sa température peut atteindre une température de plusieurs dizaines millions de degrés. À l'intérieur, les électrons dégénérés forment comme une mer qui environne les noyaux et, comme dans un métal ,ils transportent très efficacement la chaleur. La naine blanche évoque alors un gigantesque morceau de métal fluide où la température est en tous points égale. Elle va ensuite progressivement se refroidir pendant des milliards d'années. La température va diminuer jusque au moment où les noyaux vont commencer à se lier entre eux pour former un réseau cristallin. La naine blanche est alors un gigantesque cristal, un parfait bijou cosmique. Certaines d'entre elles pouvant être constituées presque exclusivement de carbone, ce sont de véritables diamants célestes qui scintilleront parfaitement pendant des milliards d'années. Des bijoux qui reste dans leur écrin car le noyau de matière dégénérée est toujours entourée d'une mince couche de gaz, une atmosphère très similaire à celle des planètes comme la Terre, son épaisseur dépassant pas quelques kilomètres. Composée d'hydrogène ou d'hélium, cette atmosphère joue comme sur Terre un rôle d'effet de serre, isolant le coeur chaud du froid intersidéral. Elle régule ainsi la déperdition de chaleur. Vue de l'extérieur, la température à la surface de l'atmosphère peut varier de 100.000°C 4.000°, mais comme la surface de l'étoile est petite, l'énergie rayonnée est toujours assez faible - de 100 à 20000 fois moindre que celle dispensée par le soleil. C'est la raison pour laquelle les naines blanches, dans
majorité, sont invisibles.Dans certains cas pourtant, les naines blanches sont responsables de phénomènes spectaculaires - par exemple quand elles sont associée à un autre astre. Derrière leur taille de planète, se cache la puissance d'une étoile. La gravité et à la surface d'une naine blanche est phénoménale: plus de 100 000 fois celle à la surface de la Terre ! C'est assez pour déformer l'astre compagnon et capturer sa matière. Cette matière, qui tombe sur l'atmosphère de la naine blanche, s'accumule en même temps qu'elle est comprimée par à la gravité. La température s'élève alors progressivement à la base de l'atmosphère jusqu'au moment où elle devient suffisante pour rapprocher deux noyaux d'hydrogène et les faire fusionner. Une réaction thermonucléaire démarre, similaire à celle qui se produit au coeur des étoiles ordinaires - mais en surface. La gravité s'oppose un temps à l'expansion du gaz les réactions nucléaires s'accélèrent et l'explosion survient, éjectant une partie l'atmosphère à plus seconde de 5.000 km/s. L'étoile est devenue une nova, une nouvelle étoile qui va briller durant plusieurs mois avant de décliner. Ces novas surviennent régulièrement dans la galaxie. L'une des plus récentes, Nova Cygni 1999, est apparue le 19 février 1992 dans la constellation du Cygne.Cet échange de matière est fatale à certaines naines blanches qui, à l'instar de la grenouille de la fable , en grossissant démesurément finissent pas éclater. La matière du compagnon peut en effet s'accumuler lentement sans déclencher d'explosion. Dans ce cas, la masse de la naine augmente jusqu'à atteindre la limite de Chandrasekhar où les électrons ne peuvent plus la soutenir. L'effondrement qui suit déclenche alors la fusion explosive du carbone de la naine et celle-ci est vole en éclats. Cette autodestruction libère en un bref instant une énergie égale à celle que produit le soleil pendant des milliards d'années. Il s'agit d'une des plus spectaculaires explosions d'étoiles, désignée sous le nom de supernovae de type I.
La mort des naines blanches est néanmoins un fait rarissime et la plupart vont poursuivre leur vie indéfiniment. Leur structure immuable permet de les utiliser comme chronomètre cosmique. Formées avec un capital d'énergie fixé au départ, elles se contentent de le dispenser parcimonieusement en raison de leur petite surface et de leur atmosphère isolante. Leur refroidissement dure donc des milliards d'années au bout desquels leur température va tellement décroître que leur rayonnement sera devenu imperceptible. La naine initialement blanche sera une naine noire.

Comme le sable dans le sablier, l'écoulement de l'énergie des naines blanches est donc une mesure précise du temps. C'est ainsi que l'étude des cinquante naines blanches les moins lumineuses a permis d'évaluer l'âge minimal de notre galaxie environ 9,5 milliards d'années. Aucune des naines blanches de la Galaxie n'a encore eu le temps de devenir naine noire. En revanche, on peut s'interroger sur le destin ultime de ces étoiles indestructibles. Elles pourraient devenir les reines absolues d'un Univers futur. En effet, lorsque toutes les étoiles auront cessé de briller, elles seront les seules rescapées, avec les étoiles à neutrons, les trous noirs et les étoiles avortées que sont les naines brunes. Dans dix mille milliards d'années, elles représenteront alors 55 % de tous les astres morts mais 88 % de la masse de notre galaxie. Pour les voir disparaître, il faudra considérer l'instabilité possible du proton. L'énergie de destruction du proton permettra à la naine de rayonner tout juste 400 W, soit l'équivalent de quelques ampoules électriques et d'atteindre la température de 0,06 degré au?dessus du zéro absolu dans quelque 103' années. Tous les spectateurs auront disparu et plus rien ne viendra éclairer ce ciel noir constellé de pâles diamants.