Luminosité - Définition

Introduction

Bien que beaucoup plus petit que le Soleil (quelques dizaines de kilomètres contre plus d'un million de kilomètres de diamètre), le pulsar du Crabe est des centaines de milliers de fois plus lumineux que le Soleil, éclairant de l'intérieur la nébuleuse du Crabe, qui mesure pourtant plus d'une dizaine d'années-lumière.

La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.

Plusieurs définitions et systèmes d'unités

En astronomie, elle représente la quantité totale d'énergie rayonnée (dans le domaine électromagnétique) par unité de temps par un astre. Elle représente donc la brillance réelle de l'astre, et non son éclat apparent qui lui dépend de la distance. Elle a les dimensions d'une puissance et s'exprime dans le système international d'unités en watts. Cependant, la tradition veut que souvent en astronomie on l'exprime dans le système cgs, c'est-à-dire en erg par seconde, la conversion se faisant selon la formule :

.

L'expression de la luminosité en unités SI ou cgs n'est cependant pas systématique. Elle l'est à peu près dans les domaines radio et X mais dans le domaine visible et l'infrarouge elle est également souvent donnée en termes de magnitude absolue, qui est une expression de l'opposé du logarithme du rapport entre la luminosité de l'astre et la luminosité d'un astre de référence. Cette convention curieuse (un astre a une luminosité d'autant plus grande que sa magnitude est faible) résulte de raisons historique, et de la tentative d'effectuer une formulation moderne de la classification faite par les astronomes de la Grèce antique des astres en termes de « grandeur », les astres les plus brillants étant dits de première grandeur et les moins brillants de cinquième grandeur.

Une autre expression de la luminosité se fait en unités de la luminosité solaire, de façon à éviter de manier des grands nombres (la luminosité typique d'une étoile étant de l'ordre de celle du Soleil, soit 4×10²⁶ W). On note alors

,

A étant une constante numérique et le symbole de la luminosité solaire.

Classifications stellaires

Dans le domaine de la physique stellaire, il est souvent intéressant de positionner un astre dans un diagramme donnant sa luminosité en fonction de sa température. La position d'une étoile sur un tel graphe, appelé diagramme de Hertzsprung-Russell permet de déterminer le type d'étoile observée ainsi que son stade d'évolution. Par exemple, c'est historiquement par le biais de ce diagramme que les naines blanches ont pu être classifiées comme une classe très particulière d'astres, bien moins lumineux que des astres ordinaires de même température. On distingue ainsi sur ce graphe les étoiles dites de la séquence principale (dont l'énergie est issue de la fusion nucléaire d'hydrogène en hélium et celles de la branche de géantes rouges, qui sont à un stade plus avancé où le cœur produit du carbone voire d'autres éléments plus lourds à partir d'hélium.

Luminosité d'une étoile

Il existe une relation entre température de surface (T), rayon (R) et luminosité (L) d'un astre, qui s'écrit

L = 4πR²σT⁴,

σ étant la constante de Stefan-Boltzmann. La luminosité d'un astre est connue quand son éclat vu depuis la Terre l'est (magnitude apparente) ainsi que sa distance. La température est en principe mesurable par spectroscopie. Cette relation permet ainsi de déterminer le rayon d'un astre. Historiquement, cette relation a par exemple permis de déterminer le rayon d'astres très compacts (et donc très peu lumineux pour leur température) comme les naines blanches. Cette méthode est également utilisable dans le domaine des rayons X pour déterminer le rayon d'astres bien plus chauds et bien plus compacts comme les étoiles à neutrons, permettant ainsi de contraindre leur structure en établissant des contraintes sur la relation entre leur masse et leur rayon qui par suite donne des indications sur l'équation d'état de ces objets.