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Les nuages interstellaires

Aperçu
La matière interstellaire est loin d'être répartie uniformément. On la rencontre pour l'essentiel concentrée en masses bien définies, des nuages de diverses sortes, dans lesquels ont peut définir en première approche deux grandes catégories : les nuages diffus, principalement formés d'atomes d'hydrogène, et les nuages denses, parfois gigantesques, riches en molécules et renfermant des poussières. En fait, il existe également des types de nuages intermédiaires entre ces deux familles. L'évolution d'un type à l'autre étant possible, et pouvant le plus souvent être mis en rapport avec les effets perturbateurs des étoiles massives proches.
Un destin d'atome - Synthétisé au coeur d'une étoile, un atome peut, au cours de sa longue existence, se trouver expulsé par le vent stellaire dans le milieu interstellaire, ionisé d'abord, puis neutre après la rencontre avec un électron. Il peut ensuite passer quelque temps dans un nuage diffus, se trouver lié ensuite avec un ou plusieurs autres atomes, formant ainsi une molécule, parmi d'autres au sein d'un nuage moléculaire géant. Il peut, même, si quelque grosse étoile se forme à proximité, comme il s'en forme couramment dans les nuages moléculaires, se voir de nouveau ionisé, au sein d'une nébuleuses brillante, se recombiner en récupérant l'électron perdu, et briller à son tour, avant de retourner à l'anonymat. Toutes ces transformations pourront se reproduire souvent. Il se peut aussi tout cela s'arrête... pour recommencer autrement. Il suffit de la rencontre avec un rayon cosmique. Une particule porteuse d'une énergie capable de briser dans le choc notre atome. Son noyau, en se scindant, donnera alors naissance à deux nouveaux atomes, plus petits, mais susceptibles de s'engager eux aussi dans une existence tout aussi agitée...
Les nuages diffus

Mise en ordre
Ces nuages sont excessivement diluées. Ils referment un million à un milliard d'atomes par mètre cube. Cela peut paraître beaucoup, mais pour comparaison, l'air que nous respirons contient autour de 25 milliards de milliards de milliards de molécules par mètre cube. La température des nuages diffus est de l'ordre d'une centaine de kelvins. Dans ces conditions, l'hydrogène s'y rencontre principalement sous sa forme atomique neutre. D'autres atomes y sont également présents en petites quantités ainsi quelques molécules (CN et CH, par exemple). Du fait de l'existence d'un fond diffus UV dans toute la Galaxie, une petite proportion d'atomes est également ionisée (ions de calcium et de titane, notamment). Parmi les nuages diffus, il est intéressant deux familles un peu particulières, les cirrus infrarouges, et les nuages à grande vitesse.
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Un ciel plombé de cirrus infrarouges...
(Document IRAS).
Les cirrus infrarouges - Ces nuages couvrent littéralement la voûte céleste, comme l'a montré dans les années 1980 le satellite IRAS qui a permis de les découvrir. De par leur leurs caractéristiques physiques, ils appartiennent bien à la catégorie des nuages diffus. Ils partagent cependant avec les nuages denses une certaine richesse en poussières. Ce sont d'ailleurs ces dernières, lumineuses dans l'infrarouge, qui expliquent leur nom. Il semble que les cirrus infrarouge correspondent à une étape précoce de cheminement que suivent les atomes expulsées dans l'espace par les étoiles à la fin de leur évolution.
Les nuages à grande vitesse - Un tiers de la voûte céleste est occupé des cohortes par de nuages très subtils se déplaçant à grande vitesse (de l'ordre de 400 km/s!), et qui se détectent par la méthode qui permet classiquement de repérer les masses d'hydrogène neutre interstellaire, c'est-à-dire la raie à 21 cm. Trop rapides pour être en orbite autour de la Galaxie, certains de ces bolides énigmatiques qui s'ébattent, pense-t-on, dans le halo de la Voie lactée pourraient être des trombes de gaz intergalactique s'abattant en chute libre sur notre Galaxie. D'autres nuages à grande vitesse ou HVCs (High velocity clouds), pourraient en revanche avoir été expulsés dans le halo, à partir du disque galactique, par l'effet d'explosions rapprochées de supernovae.

Les nuages denses

Lorsque le masses de gaz interstellaire sont plus froides encore que ne le sont celles qui composent les nuages diffus, elles peuvent devenir plus denses. La densité peut y dépasser plusieurs milliards de particules par mètre cube. Des molécules peuvent s'y former en beaucoup plus grand nombre. Plus de 120 espèces moléculaires ont déjà été identifiées, parmi lesquelles, comme on peut s'y attendre la molécule la plus largement majoritaire étant celle de hydrogène H2.
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Les molécules de l'espace

Les nuages de molécules témoignent de la chimie complexe qui se déroule dans l'espace. Une chimie relativement surprenante si l'on songe à leur grande dilution et très basse température de la matière interstellaire. Cependant, la radioastronomie, et aujourd'hui l'astronomie infrarouge permettent la détection de centaines de composés chimiques. Certains sont assez simples. Citons le monoxyde de carbone, l'ammoniac, le méthane ainsi que des alcools, des éthers, et même l'eau que l'on rencontre en très grandes quantités dans l'univers, comme l'a récemment révélé le télescope spatial infrarouge ISO. Mais il existe également des molécules comportant un nombre plus élevé d'atomes. Par exemple : CH2CHCN, C2H5OH, ou encore HC11N, et bien d'autres.

Les études infrarouges révèlent par ailleurs l'existence de composés mal identifiés, mais qui rappellent le benzène, et que chimistes et astronomes appellent des hydrocarbures polycycliques aromatiques (PAH = Polycyclic aromatic hydocarbons). Il pourrait s'agir, en somme, de molécules organiques géantes (pratiquement de la taille de petites poussières). Et cela incite certains chercheurs à aller chercher dans l'espace les molécules qui aurait pu servir de briques à partir desquelles les molécules qui composent les organismes vivants auraient pu se bâtir. Un raccourci qui semble quand même un peu trop rapide pour ne pas inciter à l'aborder avec beaucoup de prudence.

Avec une température d'une dizaine de degrés au-dessus du zéro absolu, ces nuages sont les objets les plus froids de l'univers. Une bonne part d'entre eux, les nuages moléculaires géants, sont aussi les plus gros objets que l'on puisse rencontrer dans une galaxie.

Les nuages moléculaires géants
On dénombre typiquement dans une spirale comme la nôtre de mille à deux-mille nuages moléculaires géants. Ces masses ont une forme allongée et peuvent atteindre plusieurs centaines d'années-lumière de long, et renfermer chacun assez de matière première pour former cent mille étoiles comme le Soleil. Le nombre d'étoiles qui se forment, en moyenne, chaque année dans notre Galaxie peut se compter sur les doigts d'une main. Cela signifie donc que ces nuages géants sont économes de leurs richesses. il n'en demeure pas mois que c'est en leur sein que se déroule le processus d'astration. Ce sont les seuls endroits d'une galaxie où la matière est suffisamment pour que le mécanisme de l'effondrement gravitationnel démarre. Il faut juste le "pousse un peu". Et c'est ce qui se produit chaque fois qu'un nuage moléculaire géant traverse la discontinuité du champ gravitationnel global de la galaxie que représente un bras spiral. Le processus de formation stellaire peut également s'engager après la collision de deux nuages moléculaires, ou sous l'effet des chocs provoqués par les explosions des supernovae. Dans tous les cas, nuages moléculaires et sites de formation stellaire vont de pair.

La fin de quelque chose - On le sait, la plupart du temps, les galaxies elliptiques géantes, sont pratiquement dépourvues de gaz. On y trouve, en revanche une population presque exclusive d' étoiles vieilles. Ici, les amours de l'étoile et du nuage, qui font la palpitation d'une galaxie, se sont terminées depuis longtemps. On suppose que le gaz qu'elles renfermaient initialement à été déjà complètement transformé en étoiles, lors des collisions des petites galaxies qui ont servi de matériau de construction à ces grosses galaxies. De fait, une collision de galaxies, c'est d'abord une collision de nuages moléculaires géants, et, partant une flambée de naissances stellaires. Il se peut également que le gaz des galaxies elliptiques ait été en partie perdu dans l'espace intergalactique à la suite des diverses interactions de marées qu'une galaxie subit au cours de son existence.
Les poussières interstellaires

Les poussières peuvent se rencontrer à la périphérie des étoiles froides, et certaines géantes rouges peuvent ainsi s'entourer d'une véritable coquille de poussières, faite à partir du matériau refroidi qu'elles ont soufflé dans l'espace. Les poussières ainsi formées finissent par se disperser dans l'espace, et l'on peut alors les distinguer par leur rayonnement infrarouge, au sein de nuages diffus, appelés cirrus infrarouges. Mais au final, le lieu de prédilection pour les poussières interstellaires, ce sont le nuages moléculaires géants, froids et accueillants.

Ces poussières sont constituées de grains très fins, de l'ordre d'un demi-micron. Selon le modèle le plus communément étudié, elles sont constituées d'un noyau de silicates et de graphites, enrobé de matériaux volatiles, dans lesquels domine la glace d'eau, mais dans lequel ont peut aussi rencontrer toutes sortes de molécules, à commencer par de l'ammoniac, également sous forme de glace.

Les modèles les plus récents des poussières interstellaires font voir les grains qui les constituent comme des assemblages plus complexes. Des agglomérations qui rappellent un peu nos "moutons". Quoi qu'il en soit, les poussières interstellaires représentent environ 2% de leur masse des nuages moléculaires géants. Grâce aux poussières qui les rendent opaques, il est tout à fait possible d'observer à l'oeil nu plusieurs nuages moléculaires géants, et d'autres plus petits.

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