De près, des naines blanches paraîtraient vertes, roses ou violettes

La démarche de l’étude

L’équipe a travaillé sur deux sortes d’échantillons. Le premier réunit toutes les naines blanches connues à moins de 20 parsecs du Soleil (environ 65 années-lumière), soit 152 étoiles : il montre ce qui est typique, car il est défini par la distance et non par l’éclat. Le second se compose de groupes sélectionnés pour montrer les extrêmes : 36 naines blanches riches en carbone, 36 autres riches en éléments plus lourds comme le sodium, le calcium et le magnésium (les astronomes appellent métal tout élément plus lourd que l’hélium, mais ce groupe exclut le carbone), et 15 naines blanches très froides dont l’atmosphère mêle hydrogène et hélium. Pour chaque étoile, la couleur a été calculée soit à partir de son spectre observé, soit à partir d’un spectre modèle correspondant à la température et à la composition mesurées de l’étoile. Le spectre, c’est la lumière de l’étoile décomposée selon la longueur d’onde. L’équipe l’a combiné avec les fonctions colorimétriques de l’observateur de référence CIE 1931, la norme internationale qui décrit la sensibilité de la vision humaine diurne à chaque longueur d’onde, puis a converti le résultat en sRGB, l’espace de couleurs des écrans.

On obtient ainsi une teinte et une saturation, pas une luminosité. Aucune naine blanche n’est assez proche pour que nous en voyions le disque : ce sont donc des couleurs calculées, pas des photographies.

La plupart des naines blanches sont vraiment blanches

La naine blanche typique de l’échantillon a une température de couleur d’environ 6 800 K (6 768 K dans l’article) : c’est la température à laquelle un corps incandescent idéal, un corps noir, aurait la même couleur. On obtient un blanc presque neutre, proche de la lumière du jour. L’image familière de naines blanches teintées de bleu vient des plus chaudes : plus lumineuses, elles sont surreprésentées dans les relevés qui retiennent les objets les plus brillants. Les auteurs jugent peu représentative la manière habituelle de dépeindre les naines blanches en bleu.

Sur les 152, 147 ont une couleur proche de celle d’un corps noir. Les couleurs des corps noirs forment une gamme continue qui va du rouge au bleu en passant par le blanc, et la couleur du Soleil se situe dans cette même gamme. Les cinq autres font exception : deux sont jaunes et trois roses, et aucune n’est verte. Cinq sur 152, cela fait 3,3 %. Pour l’ensemble des naines blanches, l’article estime que 3,4 % d’entre elles (environ 2 à 5 %, compte tenu de la petite taille de l’échantillon), soit à peu près une sur trente, ont une couleur nettement différente de celle d’un corps incandescent. Les couleurs inhabituelles sont rares, mais bien réelles.

La verte : WD J1330+6435

Le vert le plus vif de l’article est celui de WD J1330+6435, une naine blanche froide d’environ 4 240 K (près de 4 000 °C). Elle ne fait pas partie des 152 naines blanches les plus proches, mais des 36 riches en métaux. Son atmosphère d’hélium contient des traces de sodium, de calcium et de lithium qui, comme chez d’autres naines blanches de ce type, proviennent de débris rocheux de son système planétaire tombés sur l’étoile. Le sodium absorbe la lumière orange et le calcium le violet : la lumière de l’étoile est donc la plus intense vers 500 nm (un nanomètre, nm, vaut un milliardième de mètre). L’article qualifie la couleur qui en résulte de vert chartreuse, un vert-jaune.

Deux réserves s’imposent toutefois. D’abord, cette couleur est modélisée : les auteurs ont ajusté un modèle à un spectre observé qu’ils qualifient eux-mêmes de quelque peu bruité, si bien que la couleur réelle peut différer légèrement. Ensuite, l’étoile n’est pas la seule de son genre : deux autres des 36 naines blanches riches en métaux, WD J0851+1543 et WD J1351+2645, paraissent elles aussi vertes, quoique beaucoup plus pâles. Certains titres de presse présentent WD J1330+6435 comme la première étoile verte. L’article est plus prudent : il affirme seulement qu’à la connaissance des auteurs, aucune étoile autre qu’une naine blanche n’a été présentée comme verte. Pour notre part, nous la présentons comme la naine blanche au vert le plus vif parmi celles qu’ont examinées les auteurs.

Rose, jaune, cyan et violet

Le rose et le rose saumon sont les couleurs de naines blanches dont l’atmosphère contient du carbone. WD J0902+2010 est rose sur les images simulées de l’article, et WD J1011+2845, située à 14,73 parsecs, soit environ 48 années-lumière, est d’un rose saumon soutenu. L’essentiel de sa lumière se situe à des longueurs d’onde supérieures à 600 nm (orange et rouge), et selon l’article, c’est probablement l’étoile connue dont la couleur perçue est la plus rouge. Cela décrit son aspect, pas sa température : celle-ci, environ 4 300 K, est proche de celle de l’étoile verte. Parmi les 36 naines blanches riches en carbone, les plus chaudes paraissent bleu pâle, quelques-unes un peu moins chaudes violet pâle, et la plupart des plus froides prennent des nuances de rose, quelques-unes une teinte pêche.

Les deux naines blanches jaunes de l’échantillon des 152 sont, comme l’étoile verte, riches en métaux. Le cyan apparaît dans un autre groupe : celui des naines blanches très froides à atmosphère mixte d’hydrogène et d’hélium, où les collisions entre molécules d’hydrogène et atomes d’hélium absorbent la lumière visible. L’article en a étudié 15 à part : elles ne forment donc pas un échantillon représentatif.

Pourquoi la densité change la couleur

Tout vient de l’atmosphère. La couche externe d’une naine blanche est si fortement comprimée par la gravité que, dans les étoiles les plus froides, sa densité atteint environ 1 g/cm³, à peu près celle de l’eau. Dans un gaz aussi dense, les raies d’absorption les plus fortes des atomes de métaux s’étalent en bandes de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de nanomètres de largeur. Une simple trace de sodium ou de calcium peut alors priver la lumière d’une couleur entière, et non d’une mince tranche du spectre.

• Le sodium absorbe l’orange et le calcium le violet : il reste le vert.
• Les molécules de carbone absorbent dans de larges bandes au milieu du spectre visible, ce qui donne du violet pâle dans les étoiles un peu plus chaudes. Dans les atmosphères les plus froides et les plus denses, la densité déforme ces bandes (dans une étoile au moins, un champ magnétique y contribue peut-être aussi), et la couleur vire au rose.
• Les collisions entre hydrogène et hélium, dans les atmosphères mixtes les plus froides, font glisser la couleur vers le cyan.

Peut-on voir ces couleurs ?

Non. Aucune de ces étoiles n’est visible à l’œil nu, et au télescope nos yeux distinguent mal les couleurs en lumière faible : on ne les percevrait pas de façon fiable. Vues de près, ces étoiles seraient en outre bien plus lumineuses que ce qu’un écran peut afficher. Ces couleurs sont une prédiction de la physique de la lumière : impossible de les vérifier ce soir en levant les yeux.