Lorsqu'une étoile a entièrement brûlé son hydrogène en son centre, elle quitte la séquence principale et devient, en quelques centaines de milliers d'années, une géante rouge. En son intérieur, de l'hydrogène continue à brûler dans une coquille entourant un coeur d'hélium. La température de cette coquille, et donc la quantite d'énergie qu'elle dégage par la fusion de l'hydrogène, augmente au cours du temps.
Pourquoi le rayon de l'étoile augmente-t-il et sa température en surface baisse-t-elle au cours de cette évolution? La réponse met en jeu des considérations d'ordre thermique. Le principe est simple. Considérons l'enveloppe de l'étoile, définie comme étant la matière externe à la coquille d'hydrogène en fusion. Lorsque la quantité d'énergie radiée à sa surface (c'est à dire la luminosité de l'étoile) est égale à celle injectée à sa base (par les réactions thermo-nucléaires internes), l'enveloppe est en équilibre thermique. Ce qui y entre est égal a ce qui en sort, et sa structure ne se modifie pas au cours du temps. Par contre, si la quantité d'énergie injectée à sa base est, par exemple, supérieure à celle qui est irradiée en surface, l'enveloppe accumule la différence d'énergie en son sein. Sa structure doit alors nécessairement se réajuster. Le surplus d'énergie conduit à une dilatation de l'enveloppe.
Dans la plupart des cas, la dilatation de l'enveloppe s'accompagne d'une plus grande 'transparence' de la matière au rayonnement. La luminosité en surface augmente donc, puisque plus d'énergie peut traverser l'enveloppe, jusqu'à ce qu'un nouvel équilibre soit atteint. Durant le processus, le rayon de l'étoile a légérement augmenté suite à la dilatation. C'est typiquement ce qui arrive durant l'évolution d'une étoile sur la séquence principale au cours de laquelle sa température centrale, et donc sa production d'énergie thermonucléaire, augmente. C'est ainsi que le rayon du Soleil a augmenté d'environ 10% durant les 4.5 derniers milliards d'années.
Dans certains cas, cependant, la matière de l'enveloppe devient plus 'opaque'
au rayonnement en se dilatant. C'est ce qui arrive après la séquence principale
lorsque, suite à cette même dilatation, une fraction de plus en plus importante
de l'enveloppe se refroidit en dessous de quelques millions de degrés. Les
noyaux des éléments lourds tels que le fer se recombinent alors avec les
électrons du plasma (à plus haute température, tous les éléments sont
entièrement ionisés et aucune recombinaison ne se produit). Or cette opération
requiert de l'énergie. Une partie de l'énergie injectée à la base de
l'enveloppe est donc utilisée dans ces recombinaisons, et ne peut plus
contribuer à la luminosité de surface. La différence entre l'énergie injectée à
la base et celle irradiée en surface s'accroit, éloignant de plus en plus le
système de son état d'équilibre. Le système est
donc instable et le processus s'emballe. Finalement, un nouveau mode de
transport de l'énergie s'installe, la convection. L'énergie n'est alors plus
seulement transportée par radiation, mais également par le mélange de la
matière (comme de l'eau en ébullition). Ce mode de transport supplémentaire
permet à l'étoile d'atteindre une nouvelle configuration d'équilibre thermique.
Elle est devenue une géante rouge.
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Cette réponse a été préparée par Nami.Mowlavi@obs.unige.ch