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Les types spectraux des étoiles

Aperçu

La répartition de l'énergie lumineuse émise par une étoile en fonction de sa longueur d'onde correspond à ce que les astronomes appellent le spectre de l'étoile. Plus une étoile est chaude et plus son spectre comprend des radiations bleues; inversement plus elle est froide, et plus sa lumière est rouge. La couleur est ainsi un moyen sommaire de distinguer entre les différentes étoiles. Mais existe une façon plus précise, qui consiste à examiner la distribution dans le spectre de différentes raies, généralement sombres (absorption), qui débouche sur la définition pour l'étoile considérée d'un type spectral déterminé.

La classification spectrale des étoiles la plus communément utilisée a commencé à être élaborée dès la fin du XIX^e siècle à Harvard par Pickering et ses collaboratrices, et a pris sa forme actuelle à partir des années 1950, grâce aux travaux, notamment, de Morgan et Keenan.

Elle repose sur l'utilisation de sept types spectraux principaux, notés par des lettres majuscules : O, B, A, F, G, K et M. Une séquence qui correspond à des températures superficielles (températures effectives) décroissantes : les étoiles O sont les plus chaudes (et les plus bleues), les étoiles M, les plus froides (et les plus rouges). D'autres types spectraux, plus récents, sont également considérés : W, S, C, et encore plus récemment L et T.

A la notion de type spectral s'ajoute celle de classe de luminosité. Celle-ci permet de distinguer notamment les étoiles ordinaires de la séquence principale, d'étoiles de même température (et de même type spectral) mais ayant déjà évolué en géantes. On utilise dans ce cas les chiffres romains allant de I à VI, pour classer les étoiles selon des classes de luminosité décroissante.

Mise en ordre

Les types spectraux standard

Les sept type spectraux standard permettent de ranger l'immense majorité des étoiles. Chacun de ces types peut être subdivisé en sous-types, et l'on a alors la séquence : B0, B1.... B9, A0, A1,...A9, F0, etc. Il existe également des fractions de sous-type, ce qui donne par exemple des étoiles de type O6,5 (voir spectre ci-dessous), et l'on peut encore trouver des raffinements du style "G7+", pour désigner des étoiles de type spectral intermédiaire entre G7 et G7,5 (soit G7,25...).

Étoiles de type O

O6,5 (Source de tous les spectres de cette page : NOAO/AURA/NSF). Ces étoiles, plutôt rares, sont excessivement massives et lumineuses (plus de 100 000 fois la luminosité du Soleil pour celles qui appartiennent à la séquence principale), et surtout très chaudes. Leur couleur bleue traduit ainsi leur température de surface situé au-delà de 25 000 K. Certaines pouvant atteindre les 50 000 K et plus. On distingue dans leur spectre des raies d'hélium une fois ionisé (en émission et en absorption), d'azote et d'oxygène, ainsi qu'un important continuum ultraviolet. On citera dans cette catégorie : Iota Orionis A et Sigma Orionis (Orion), Naos (Poupe), 15 Monocerotis (Licorne) ou encore 10 Lacertae (Lézard).

Étoiles de type B

B0 Un peu plus communes que les étoiles O, les étoiles B sont un peu moins massives que leurs congénères, mais restent extrêmement lumineuses (plusieurs milliers de fois la luminosité du Soleil) et chaudes. Leur température effective est de l'ordre de 10 000 à 20 000 K. On distingue en absorption dans leur spectre des raies bien marquées d'hélium neutre et d'hydrogène. Rigel (Orion), Benetnash (Grande Ourse), Alcyone (Taureau) et L'Epi de la Vierge sont des représentantes de ce type.

Étoiles de type A

A1 Les étoiles de type A stars sont moins massives et moins chaudes que les précédentes. Leur couleur vire du bleuâtre au blanc, ce qui traduit des températures situées entre 7000 K et 10 000 K. Les raies d'hélium disparaissent dans leur spectre au profit des raies d'hydrogène neutre (raies de Balmer), très bien marquées et typiques de ce groupe d'étoiles. On citera parmi les étoiles de type A : Vega (Lyre), Deneb (Cygne), Fomalhaut (Poisson Austral), Sirius (Grand Chien).

Étoiles de type F

Les étoiles du type F, encore moins massives et chaudes, mais presque aussi nombreuses à elles seules que toutes les étoiles des types précédents sont de couleur jaunâtre. Leur température effective est d'environ 6000 à 7000 K. Les raies d'hydrogène neutre sont moins marquées dans leur spectre que dans celui des étoiles de type A. On y remarque l'apparition de raies métalliques, notamment de calcium ionisé (Ca II). Appartiennent à ce type : Arneb (Lièvre), Canopus (Carène) et Procyon (Petit Chien), Metallah (Triangle) ou encore Algenib (Persée).

Étoiles de type G

G0 Encore plus fréquentes que les étoiles de type F, les étoiles de type G, comme notre Soleil, partagent avec lui des masses et des températures relativement modérées. En surface, ces dernières sont comprises entre 5000 et 6000 K, ce qui donne une couleur plutôt jaune, évoluant vers l'orangé. Les raies d'hydrogène sont faiblement marquées dans leurs spectres, mais les raies métalliques gagnent en importance. On observe en particulier des raies bien marquées de calcium une fois ionisé et de fer neutre. Outre notre étoile, appartiennent notamment à ce groupe, Alshain (Aigle), Dzêta Herculis (Hercule), 16 Cygni B (Cygne), Capella (Cocher), et Toliman A (Centaure).

Étoiles de type K

K0 Les étoiles de type K sont plus froides. De couleur orange, elles ont une température effective de 3500 à 5000 K. On note dans leur spectre, dont le continuum bleu est faiblement apparent, des raies d'hydrogène désormais très faibles et des raies métalliques nettement dominantes (Ca et Fe neutres). Des bandes moléculaires font par ailleurs leur apparition. A ranger dans ce type des étoiles telles que Arcturus (Bouvier), Aldébaran (Taureau), Kochab (Petite Ourse), 61 Cygni A et B (Cygne) et Alraï (Céphée).

Étoiles de type M

M0 Avec les étoiles de type M, on entre dans la catégorie des étoiles les plus froides. Leur température superficielle est comprise entre 2500 et 3500 K. Leur spectre est caractérisé par de nombreuses raies métalliques bien nettes (Calcium neutre) et par des bandes moléculaires (oxyde de titane (TiO), notamment). Les plus nombreuses des étoiles M sont des naines rouges (mini-étoiles) de la séquence principale, mais les plus connues, parce figurant parmi les étoiles les plus lumineuses, sont les géantes rouges. On citera comme exemples, trois géantes, Antarès (Scorpion), Tejat Posterior (Gémeaux) et Bételgeuse (Orion), et une naine, Proxima Centauri (Centaure).

Types additionnels

Les types spectraux définis ci-dessus couvrent toute la gamme des températures possibles pour les étoiles. Mais dans certains cas, les spectres observés pour une température donnée se distinguent suffisamment nettement du spectre habituel, pour avoir conduit à introduire des types spectraux supplémentaires.

Le type WR ou W
Du côté des étoiles chaudes (plus de 50 000 K), il s'agit s'agit du type W ou WR, qui rassemble les étoiles de Wolf-Rayet. Il s'agit de coeurs d'étoiles massives vieillissantes mis à nu par les vents stellaires, et desquels on peut rapprocher les étoiles au centre des nébuleuses planétaires en passe de devenir des naines blanches. L'hydrogène de l'enveloppe ayant été expulsé, leur spectre est marqué par l'abondance en hélium. On distingue deux sous-types : les WN et les WC, selon l'importance qu'y revêtent les raies d'azote (N) et de carbone (C). Citons dans ce groupe : Suhail al-Mulif - 2 (Voiles).

Les types S et C
Du côté des étoiles froides, on notera en premier lieu les types spectraux S et C. Les étoiles du type S (par exemple, T Camelopardalis (Girafe)) sont proches des étoiles du type M, mais on observe dans leur spectre des traces d'oxyde de zirconium, plutôt que d'oxyde de titane. Les étoiles du type C (étoiles à carbone) sont des géantes qui pourraient être rangées dans les types G, K ou M, si elles ne se différenciaient par l'importance des raies de carbone dans leur spectre.

Si l'on tient à ajouter des complications, on pourra également distinguer les étoiles à carbone de type R (exemple : S Camelopardalis (Girafe)), analogues aux étoiles de type K, et les étoiles à carbone de type N (ex. : R Leporis (Lièvre)), analogues aux étoiles de type M. Mais ces distinctions tendent à devenir obsolètes, et l'on se contente généralement de parler du type C pour tous ces objets....

Les types L et T
Enfin, toujours du côté des étoiles froides, et plus spécialement des mini-étoiles, deux nouveaux types spectraux ont été ajoutés au cours des dernières années. Il s'agit du type L, qui prolonge le type M aux basses températures et dénote l'importance dans le spectre de bande diverses bandes moléculaires, et du type T (marqué par la présence de méthane). Ce dernier type rassemble seulement des naines brunes, qui peuvent par ailleurs cohabiter avec des naines rouges au sein du type L.-

Spectres particuliers

Au caractéristiques principales des spectres se superposent souvent des caractéristiques secondaires, signalées par des préfixes et des suffixes ajoutés au type spectral. Ils sont très nombreux, on ne citera que les plus communs :

Préfixes : d est utilisé pour les étoiles naines de faible luminosité; D pour les étoiles à matière dégénérée (naines blanches); c dénote les étoiles supergéantes très brillantes, etc..

Suffixes : p signale la présence de raies particulières; e dénote la présence de raies en émission; m correspond à la présence de raies métalliques (dans un type spectral où elles ne sont pas attendues); n traduit la présence de raies attribuables à une nébulosité; s est utilisé quand les raies du spectre sont très fines (sharp), etc...

Les classes de luminosité

Comme le montre l'exemple des étoiles de type M (et cela est d'ailleurs vrai pour tous les autres types spectraux), le recours au seul type spectral laisse subsister une importante ambiguïté sur la catégorie à laquelle appartient l'étoile. A-t-on affaire à une géante, à une étoile de la séquence principale, à une naine? La réponse à ces questions est apportée par un raffinement supplémentaire de la classification des étoiles, qui fait appel à la notion de classe de luminosité. Les étoiles sont ainsi rangées en fonction de leur luminosité intrinsèque décroissante dans des classes étiquetées par des chiffres romains, allant de I à VI, avec éventuellement des subdivisions (Ia et Ib...). Le tableau suivant résume la situation :
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Classe	Caractéristiques	Exemples
Ia	Supergéantes lumineuses	Erakis (Cephée)
Ib	Supergéantes moins lumineuses	Sadalmelek (Verseau),
II	Géantes brillantes	Pi Aurigae (Cocher)
III	Géantes ordinaires	Altarf (Cancer) Aldébaran (Taureau)
IV	Sous-géantes	Mufrid (Bouvier) Alraï (Céphée)
V	Étoiles de la séquence principale. Normalement appelées naines, mais le qualificatif difficilement aux plus massives d'entre elles...	Astérion (Chiens de Chasse), Soleil
VI	Sous-naines	Proxima (Centaure)

Au total, on caractérisera une étoile par son type spectral et par sa classe de luminosité, qui ensemble définissent sa classe spectrale. Le Soleil, par exemple, de type spectral G2 et de classe de luminosité V, sera dit de classe spectrale G2V. Quant à Aldébaran, de type spectral K5 et de classe de luminosité III, on la rangera dans la classe spectrale K5III.