De quoi sont faites les étoiles ? Et comment le sait-on ?
En 1835, un philosophe français a affirmé qu’on ne saurait jamais de quoi sont faites les étoiles. Il l’a écrit noir sur blanc, dans un livre sérieux, et vingt-cinq ans plus tard deux Allemands équipés d’une flamme de labo lui donnaient tort. Le plus savoureux, c’est qu’un autre Français, quelques années après, allait trouver dans le Soleil un élément que personne n’avait jamais vu sur Terre. En 2026, on peut connaître la composition d’une étoile dont la lumière met des milliers d’années à nous parvenir, sans envoyer la moindre sonde. Tout est dans la lumière elle-même, rangé dans des raies noires que personne n’a su lire pendant longtemps.
La prédiction la plus ratée de l’astronomie
Le philosophe, c’est Auguste Comte, et la phrase se trouve dans le tome II de son Cours de philosophie positive, dans la leçon consacrée à l’astronomie. Comte y explique qu’on ne peut connaître des astres que ce qui se voit. Et il écrit, mot pour mot : « Nous concevons la possibilité de déterminer leurs formes, leurs distances, leurs grandeurs et leurs mouvemens ; tandis que nous ne saurions jamais étudier par aucun moyen leur composition chimique, ou leur structure minéralogique, et, à plus forte raison, la nature des corps organisés qui vivent à leur surface. »
Ce n’était pas idiot. En 1835, ça sonnait comme du bon sens : pour savoir de quoi une chose est faite, on en prend un morceau, on le met dans une éprouvette et on lui fait subir les pires misères. Avec une étoile, impossible. Ce que Comte ignorait, c’est que la lumière transporte la liste des ingrédients. Il fallait juste apprendre à la lire.
Des raies noires dans l’arc-en-ciel du Soleil
Fais passer la lumière du Soleil dans un prisme et elle s’étale en arc-en-ciel, du violet au rouge, toutes les couleurs à la suite. Ce que Joseph von Fraunhofer a découvert, avec des instruments bien plus fins, c’est que cet arc-en-ciel n’est pas continu. Il est traversé par une flopée de raies sombres, fines comme des cheveux, toujours au même endroit. Il manque des couleurs bien précises.
Ces raies, qui portent son nom, sont restées un mystère pendant longtemps. Elles étaient là, on pouvait les mesurer avec précision, mais personne ne savait ce qu’elles voulaient dire. Un code-barres sans lecteur.
Une flamme à Heidelberg
Le lecteur est arrivé au milieu du XIXe siècle, à l’université de Heidelberg, en Allemagne. Un chimiste, Robert Bunsen, et un physicien, Gustav Kirchhoff, y travaillaient ensemble. D’après l’université, entre 1859 et 1861, Bunsen étudiait les couleurs que prennent les flammes quand on y brûle différents sels, et c’est de ce travail que les deux hommes ont tiré ensemble l’analyse spectrale. L’Office allemand des brevets et des marques, qui les range parmi ses grands inventeurs, date de 1860 leur publication commune qui en pose les bases scientifiques.
L’idée se raconte facilement. Chaque élément chimique, chauffé dans une flamme, émet de la lumière seulement dans quelques couleurs bien précises, toujours les mêmes. Et quand la lumière traverse un gaz de cet élément, le gaz avale exactement ces mêmes couleurs. Grâce à ça, Kirchhoff et Bunsen ont pu expliquer les raies de Fraunhofer, indique l’université de Heidelberg. Les raies sombres du Soleil sont les couleurs avalées par les éléments de son atmosphère au passage de la lumière. Compare les raies du Soleil à celles des flammes du labo, et tu sais ce qu’il y a là-haut.
Pourquoi chaque élément a son empreinte
Pourquoi chaque élément avale-t-il certaines couleurs et pas d’autres ? Pour la même raison que le verre laisse passer la lumière visible. Les électrons d’un atome ne peuvent se trouver qu’à certains niveaux d’énergie, et pour sauter de l’un à l’autre il leur faut une poussée de la taille exacte. Si la lumière apporte pile cette énergie, l’électron la garde. Sinon, il la laisse filer.
Chaque couleur de la lumière correspond à une énergie différente, et chaque élément a son propre escalier de niveaux, avec des marches à des hauteurs qu’on ne retrouve chez aucun autre. Voilà pourquoi chaque élément avale son propre jeu de couleurs. Le sodium a le sien, le fer a le sien. Une empreinte écrite dans la lumière, qui vaut autant dans une flamme de labo que dans une étoile à des milliers d’années-lumière.
Dix nouveaux éléments et de l’or venu du Soleil
La méthode était si puissante qu’elle s’est mise à trouver des choses que personne ne connaissait. D’après l’Office allemand des brevets, Bunsen et Kirchhoff ont identifié deux éléments nouveaux dans l’eau minérale de la source Maxquelle, à Bad Dürkheim : le césium en 1860 et le rubidium en 1861. En très peu de temps, d’autres chimistes ont découvert dix éléments de plus grâce à l’analyse spectrale.
La même page raconte une anecdote du genre qu’on se repasse au comptoir. Le banquier de Kirchhoff aurait douté de l’intérêt de chercher de l’or dans le Soleil, puisqu’on ne pourrait jamais le rapporter. Quand Kirchhoff a reçu la médaille Rumford, il l’aurait montrée à son banquier en lui disant : « Regardez, j’ai réussi à tirer de l’or du Soleil. » Comme toute bonne anecdote, elle s’accompagne d’un conditionnel, et c’est ainsi que l’Office des brevets la raconte.
L’élément trouvé dans le Soleil avant la Terre
L’analyse spectrale a connu son heure de gloire pendant une éclipse. Le 18 août 1868, l’astronome français Jules Janssen a observé une éclipse totale de Soleil depuis l’Inde, avec un spectroscope. D’après des historiens de l’Observatoire de Paris et un bulletin d’éclipses de la NASA, il a vu dans la lumière de l’atmosphère solaire une raie jaune brillante qui ne correspondait à aucun élément connu. Quelques jours plus tard, l’astronome britannique Norman Lockyer a fait la même observation.
Lockyer a conclu que cette raie appartenait à un élément encore jamais vu sur Terre. On l’a baptisé hélium, du grec helios, le Soleil. La Royal Society of Chemistry britannique l’écrit sur sa fiche de l’élément : il porte ce nom parce qu’il a d’abord été détecté dans la couronne solaire.
Sur Terre, il n’a été isolé qu’en 1895. Cette année-là, William Ramsay y est parvenu à Londres et, de leur côté, Per Teodor Cleve et Nils Abraham Langlet à Uppsala, en Suède. Vingt-sept ans après l’avoir vu dans le Soleil. Comte disait qu’on ne connaîtrait jamais la chimie des astres, et un compatriote venait d’y trouver un élément inédit. Au comptoir, on appelle ça une belle revanche.
La thèse qui n’a pas osé le dire
Savoir quels éléments il y a dans une étoile, c’est une chose. Savoir en quelle quantité, c’est beaucoup plus dur, parce que la force des raies dépend aussi de la température. Cette partie-là, c’est une jeune astronome de Harvard, qui avait grandi en Angleterre, qui l’a résolue : Cecilia Payne.
Dans sa thèse de doctorat, Stellar Atmospheres, achevée le 1er janvier 1925, Payne a calculé, en tenant compte de la température des étoiles, quelle quantité de chaque élément il fallait pour produire les raies observées. D’après l’American Physical Society, sa conclusion était que, contrairement à ce qui se passe sur Terre, l’hydrogène et l’hélium sont les éléments dominants du Soleil et des étoiles.
Ça allait contre ce que presque tout le monde supposait, à savoir que les étoiles étaient faites à peu près de la même chose que notre planète. Henry Norris Russell, l’une des grandes autorités de l’époque, s’y est opposé fermement et l’a convaincue de retirer cette conclusion de sa thèse. Payne avait raison, on l’a vu par la suite. L’astronome Otto Struve a plus tard qualifié son travail de « thèse de doctorat la plus brillante jamais écrite en astronomie ». En 1956, Payne est devenue la première femme professeure titulaire à Harvard et la première à y diriger un département.
Un jésuite et quatre mille étoiles
Pendant ce temps, d’autres se sont mis à classer les étoiles d’après leur spectre. L’un des pionniers était le jésuite italien Angelo Secchi. D’après l’Institut national d’astrophysique italien, il a lancé en 1862 un programme systématique de spectroscopie des étoiles et a peaufiné peu à peu son classement : deux types en 1863, trois en 1867. L’Observatoire du Vatican rappelle que son catalogue comptait plus de quatre mille étoiles. Il a été parmi les premiers à ranger les étoiles selon l’allure de leurs raies.
De quoi sont faites les étoiles, en chiffres
Avec tout ça, on peut répondre à la question avec des chiffres. D’après la NASA, le Soleil est composé en masse de 71 % d’hydrogène, 27 % d’hélium et 2 % d’éléments plus lourds, avec de petites variations selon l’estimation. En nombre d’atomes, l’écart est encore plus grand : 91 % d’hydrogène, 9 % d’hélium et à peine 0,1 % pour tout le reste.
Dans ce « tout le reste », on trouve des éléments comme l’oxygène, le carbone ou le fer, vedettes sur Terre et figurants dans le Soleil. Et si on le sait avec une telle précision, c’est grâce aux mêmes raies noires que personne ne savait lire en 1835.