L’avenir de l’Univers

Les étoiles qui brillent aujourd’hui changeront dans un avenir lointain

En étudiant l’avenir de l’Univers, on peut dégager une évolution générale : les étoiles brillent longtemps, les galaxies changent et les résidus stellaires deviennent progressivement plus nombreux. Après la fin des étoiles comme le Soleil, il restera des étoiles capables de briller bien plus longtemps. À mesure que le gaz disponible pour former de nouvelles étoiles diminue, leurs naissances devraient devenir plus rares.

Les astronomes observent des étoiles d’âges et de masses différents, des galaxies où les étoiles naissent activement et des galaxies riches en vieilles étoiles. Comparer leurs propriétés à des calculs fondés sur les lois physiques permet d’étudier les changements de ces astres au fil du temps. En prolongeant ces calculs bien au-delà du présent, on peut estimer leur avenir.

Le Soleil gonflera avant de laisser un petit résidu

Aujourd’hui, le Soleil brille grâce à la fusion nucléaire dans son cœur, où des noyaux d’hydrogène se combinent pour former des noyaux d’hélium. Quand l’hydrogène disponible au centre pour entretenir ce processus diminue, la structure interne de l’étoile change aussi. Les modèles d’évolution stellaire prévoient que le Soleil poursuivra la fusion de l’hydrogène dans son cœur pendant encore environ 5 milliards d’années, avant de se diriger vers le stade de géante rouge, où les couches externes de l’étoile se dilatent énormément.

Le Soleil agrandi modifiera fortement l’environnement des planètes proches. La chaleur qu’elles recevront dépendra de l’augmentation de la lumière solaire et de l’étendue de ses couches externes. Le moment où la Terre deviendra difficilement habitable pour les êtres vivants et la question de son éventuel engloutissement par le Soleil doivent être étudiés séparément.

Le Soleil devrait ensuite rejeter sa matière externe dans l’espace et laisser un petit cœur très chaud : une naine blanche. Ce résidu brillera lui aussi longtemps en libérant la chaleur qu’il conserve. Les quelque 5 milliards d’années désignent la durée, à partir d’aujourd’hui, pendant laquelle le Soleil devrait maintenir la fusion de l’hydrogène dans son cœur, et non la date où il deviendra une naine blanche ou perdra toute sa lumière.

Les petites étoiles peu lumineuses peuvent briller bien plus longtemps que le Soleil

D’autres étoiles pourront continuer de briller lorsque le Soleil sera devenu une naine blanche. La durée de vie d’une étoile dépend à la fois de la quantité d’hydrogène qu’elle possède et de la vitesse à laquelle elle l’utilise. Les naines rouges, moins massives que le Soleil, libèrent de l’énergie à un faible rythme et peuvent donc briller plus longtemps avec moins de combustible.

Dans les étoiles de très faible masse, la matière chauffée monte et la matière refroidie descend, ce qui mélange une grande partie de l’intérieur. Ce mouvement s’appelle la convection. Il apporte au cœur de l’hydrogène venu de régions plus externes, permettant à l’étoile d’utiliser une plus grande part de son hydrogène. Certains modèles d’étoiles de faible masse prévoient des durées de vie de plusieurs milliers de milliards d’années.

Mille milliards d’années, c’est dix mille fois cent millions d’années. C’est bien plus que l’âge actuel de l’Univers, d’environ 13,8 milliards d’années. Voilà pourquoi on n’a pas encore pu observer une étoile à la vie aussi longue parcourir toute sa vie, de sa naissance à sa fin.

Après que l’hydrogène d’une naine rouge de très faible masse s’est transformé en hélium pendant une longue période, cette étoile peut suivre une évolution où sa surface devient plus chaude. C’est le stade théorique de naine bleue. Cet état futur n’a pas encore été observé, et toutes les naines rouges ne suivent pas nécessairement la même évolution.

Les galaxies disposent de moins de gaz pour former de nouvelles étoiles

Les télescopes Hubble et ALMA ont trouvé des indices d’un manque de gaz froid dans des galaxies lointaines qui forment très peu de nouvelles étoiles. Ce ne sont pas des photographies de galaxies futures, mais ces observations renseignent sur les matériaux et les conditions nécessaires à la naissance des étoiles.

La naissance des étoiles exige des conditions permettant au gaz froid de se rassembler en un même endroit. Une partie du gaz entre dans les étoiles et y reste longtemps ; une partie de la matière demeure dans les résidus après la fin de leur vie. La lumière et les écoulements de matière des étoiles peuvent aussi chauffer du gaz ou le pousser hors de la galaxie, l’empêchant de se rassembler à nouveau aussi facilement.

Au cours de leur vie, les étoiles rendent une partie de leur matière à l’espace. Si elle refroidit et se rassemble de nouveau, elle peut servir à former d’autres étoiles. Mais tout le gaz initial ne revient pas à chaque fois. Les modèles à long terme supposant que l’Univers poursuit son expansion suffisamment longtemps prévoient des naissances stellaires plus rares et une part croissante d’étoiles à longue vie et de résidus.

Toutes les galaxies ne changent pas de la même manière. Lorsqu’elles passent près les unes des autres ou fusionnent, leur gaz peut être comprimé, provoquant temporairement une formation d’étoiles plus active. On ne peut donc pas dresser un calendrier où toutes les galaxies cesseraient de former des étoiles le même jour.

La date d’une éventuelle fusion entre la Voie lactée et Andromède n’est pas non plus fixée. Les résultats dépendent des mesures du mouvement des galaxies et de la manière dont on tient compte de la gravité des galaxies voisines. Une étude de 2025 et une étude de suivi de 2026 donnent également des probabilités de fusion différentes. C’est pourquoi cet événement n’est pas présenté comme certain à une date future précise.

Les naines blanches restantes refroidissent pendant très longtemps

Tous les astres ne disparaissent pas après la mort des étoiles. Des résidus tels que des naines blanches, des étoiles à neutrons et des trous noirs peuvent subsister. Une naine blanche s’assombrit progressivement en libérant sa chaleur stockée, une fois terminée sa période d’étoile alimentée par la fusion dans le cœur.

En prolongeant ce refroidissement jusqu’à un avenir extrêmement lointain, on peut prévoir une naine blanche n’émettant presque plus de lumière. Cet état théorique s’appelle une naine noire. On considère que l’Univers n’est pas encore assez vieux pour que les naines blanches aient autant refroidi, et aucune naine noire n’a été découverte.

Émettre très peu de lumière ne signifie pas atteindre exactement le zéro absolu. Les changements internes de la matière et l’énergie reçue de l’environnement influencent aussi le refroidissement. Il est donc difficile de donner une durée unique et précise pour devenir une naine noire.

Plus l’avenir est lointain, plus les conditions inconnues comptent

La prévision selon laquelle le Soleil deviendra une géante puis laissera un résidu est confrontée aux observations de nombreuses étoiles et à la théorie de l’évolution stellaire. Pour étudier des étoiles dans plusieurs milliers de milliards d’années, ou des résidus refroidis depuis plus longtemps encore, il faut examiner comment la physique vérifiée aujourd’hui agirait sur des durées bien plus grandes. Les deux types de prévisions reposent sur des calculs, mais les possibilités de les comparer directement aux observations diffèrent.

L’évolution future de l’expansion de l’Univers est une autre condition importante. La nature de l’énergie noire, introduite pour expliquer l’accélération de l’expansion, reste inconnue. Des questions comme celle de la stabilité éternelle des particules constituant la matière peuvent aussi influencer les calculs portant sur les résidus d’un avenir très lointain.

Les scènes de cet article ne sont donc ni des photographies d’un avenir certain, ni une chronologie à intervalles égaux. Ce sont des modèles explicatifs qui partent des astres observés aujourd’hui pour montrer les changements attendus et les conditions nécessitant davantage d’étude. Au-delà des changements des étoiles et des galaxies, l’état final de l’Univers dans son ensemble reste une autre question.

Sources

• NASA Science — Durée de vie restante du Soleil sur la séquence principale et types d’étoiles
• Laughlin et ses collègues — Modèle d’évolution d’une étoile de très faible masse
• NASA Science — Interactions entre galaxies et formation d’étoiles
• NASA Hubble — Observations de galaxies pauvres en gaz froid
• ESA Gaia — Refroidissement et changements internes des naines blanches
• Adams et Laughlin — Évolution à long terme des astres et hypothèses des modèles
• Sawala et ses collègues — Incertitude sur une fusion entre la Voie lactée et Andromède
• Wu et ses collègues — Étude de suivi de 2026 sur les prévisions de fusion galactique
• NASA Science — Énergie noire et conditions non résolues de l’expansion future