De l'infiniment petit à l'infiniment grand

Alain Beauchamp obtient la médaille Plaskett pour la meilleure thèse en astronomie au Canada.

Alain Beauchamp

À lui seul et dans le cadre d'une même recherche de doctorat, Alain Beauchamp a fait progresser les connaissances à la fois de l'infiniment petit et de l'infiniment grand.

La physique quantique lui a en fait livré la clé lui permettant de faire une percée dans le monde inconnu des étoiles naines blanches à hélium. Les naines blanches sont des étoiles qui ont épuisé leur carburant nucléaire et qui, au terme de leur existence, se sont effondrées sur elles-mêmes; elles sont encore visibles, un peu comme le serait l'élément chauffant rougi de la cuisinière qu'on vient de fermer.

"Il y a deux grands types de naines blanches, explique Alain Beauchamp. Il y a celles dont la surface est composée d'hydrogène presque pur et celles composées d'hélium tout aussi pur. On connaissait relativement bien les caractéristiques des étoiles riches en hydrogène, soit leur température, leur gravité et leur masse, mais on savait très peu de choses sur les secondes parce que nous n'avions pas de données atomiques sur l'hélium."

Les propriétés de l'hélium

La température, la gravité et la masse d'une étoile sont déterminées à partir de la décomposition de la lumière qu'elle émet, ce qui nous informe des composantes de son atmosphère ou surface. Mais pour cela, il faut déjà connaître les propriétés atomiques des composantes de l'atmosphère - soit, dans le cas des naines, les propriétés de l'hydrogène et de l'hélium - afin d'élaborer des modèles théoriques permettant de prévoir le comportement de ces composantes à des températures et à des gravités différentes.

Ces modèles théoriques sont ensuite utilisés comme étalons afin de déterminer les propriétés des étoiles à partir des spectres réels obtenus par l'observation astronomique. On connaît très bien le comportement de l'atome d'hydrogène parce que sa structure est simple. Mais l'absence de données sur l'atome d'hélium, plus complexe, rendait impossible l'avancement des connaissances sur les naines blanches dont la surface est composée de ce gaz.

"Cela était très frustrant pour les astrophysiciens parce que le blocage relevait d'une autre discipline, soit la physique quantique, souligne Alain Beauchamp. En fait, précise-t-il, les données théoriques sur l'hélium existaient, mais dormaient sur des tablettes depuis les années 1960; on ne les avait jamais vérifiées expérimentalement, possiblement faute d'ordinateurs assez puissants à l'époque."

Son travail a donc consisté d'abord à dépoussiérer ces données afin de connaître la capacité d'absorption de la lumière par l'atome d'hélium. "J'ai exploité l'oubli d'autres chercheurs", signale-t-il.

Étoiles simples

C'était déjà tout un programme et, selon l'astronome, un tel travail pouvait constituer une thèse de doctorat en soi. Mais l'étudiant ne s'est pas arrêté là puisque son intérêt était de percer le mystère des naines blanches à hélium. À partir des données atomiques, il a élaboré des spectres théoriques sur les propriétés de l'hélium en fonction de différentes températures et pressions, puis il les a appliqués à des spectres tirés de l'observation.

"Pour chacune des 50 étoiles de notre échantillon, on peut trouver parmi nos spectres théoriques un modèle identique. De tels résultats n'avaient jamais été obtenus et confirment à la fois la validité de notre modélisation de l'atome d'hélium de même que la composition de l'atmosphère de ces étoiles."

Les travaux ont ainsi permis de déterminer la masse jusqu'ici inconnue des naines blanches à hélium. L'ensemble des deux catégories de naines blanches se répartit sur un tableau allant de 0,4 à 1 fois la masse du Soleil (avant d'être naines blanches, ces étoiles pouvaient avoir jusqu'à huit fois la masse du Soleil). Les naines blanches à hélium sont pour leur part regroupées au centre de cette distribution, soit aux alentours de 0,6 fois la masse du Soleil.

Pour les astrophysiciens, cette information s'avère précieuse. On savait en effet que les naines blanches aux deux extrémités du tableau (soit les très massives et les peu massives) proviennent de systèmes solaires à deux étoiles. Les naines blanches à hélium sont donc, comme notre soleil, des étoiles solitaires. "Cela signifie que la présence ou non d'un partenaire influe suffisamment sur l'évolution d'une étoile pour déterminer le type de naine blanche qu'elle deviendra à sa mort", conclut Alain Beauchamp.

Récompense

Non sans raison, Alain Beauchamp est fier de ses travaux, dont les retombées débordent le champ de l'astrophysique. Sa modélisation de l'hélium intéresse en effet les chercheurs d'autres branches en physique et la distribution des naines à hélium ouvre la voie aux astrophysiciens qui étudient l'évolution des étoiles.

"Ce travail m'a procuré des joies immenses et des moments d'excitation très intenses, avoue-t-il. Particulièrement au cours de la dernière année, lorsque les résultats commençaient à sortir et que les pièces s'emboîtaient les unes dans les autres."

Codirigés par François Wesemael et Pierre Bergeron, du Département de physique, les travaux d'Alain Beauchamp ont par ailleurs obtenu en 1997 la médaille John Stanley Plaskett, remise chaque année par la Société canadienne d'astronomie pour récompenser la meilleure thèse de doctorat en astronomie au Canada.

En 11 ans d'existence, cette médaille très convoitée a été décernée pour une quatrième fois à un étudiant de l'Université de Montréal; trois des travaux honorés ont porté sur les naines blanches.

Depuis l'obtention de son doctorat en 1995, M. Beauchamp a déjà cumulé une dizaine de publications présentant ses résultats. Parallèlement à son emploi en modélisation sur ordinateur pour l'entreprise CAE Électronique (un fabricant de simulateurs de vol), il poursuit ses travaux sur la piste ouverte par ses premiers résultats pour son seul plaisir professionnel.

Daniel Baril