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Ciel des Hommes

Comment voir au coeur d'un nuage où se condensent de futures étoiles ?

article de Fabrice Mottez

paru le 08 février 2007

Des chercheurs des observatoires de Paris, Bordeaux et Midi-Pyrénées, ont réussi à observer, à travers les poussières, les régions de gaz très froids à partir desquelles la matière s'accrète en formant des étoiles.

Dans le milieu interstellaire existent des nuages de gaz et de poussières, de plusieurs années-lumière de diamètre, qui lorsque des étoiles les éclairent nous apparaissent sous la forme de nébuleuses. C'est à partir de ces vastes réservoirs de matière que se condensent les futures étoiles, appellées "proto-étoiles".

En général, les nébuleuses sont à peu près en équilibre : les forces de gravitation tendent à en provoquer la contraction, et les forces de pression s'y opposent. Cela ne joue pas en faveur de la formation des proto-étoiles. En effet les forces de pression sont proportionnelles à la densité du gaz et à sa température. Lorsqu'en certains endroits, des grumeaux de matière se condensent, la densité augmente, donc, la pression augmente, et s'oppose à l'accroissement du grumeau, donc à la formation d'une proto-étoile... A moins que, au fur et à mesure que le gaz se condense, la température diminue, réduisant les forces de pression.

Or la température peut diminuer : lorsque la matière chauffe, elle rayonne de la lumière (surtout des rayons infrarouges ou des ondes radio à basse température). Si le gaz de la nébuleuse est transparent, ces rayonnements quittent la nébuleuse (ce qui la rend visible aux astronomes). L'échappement de la lumière constitue une perte d'énergie contribuant au refroidissement du gaz. Puisque la température diminue, malgré la hausse de la densité, la pression ne s'accroît pas assez pour s'opposer à la continuation de l'effondrement du nuage (ou d'une partie du nuage) sur lui-même.

Les astrophysiciens estimaient que la température dans les nuages en effondrement, aptes à engendrer des proto-étoiles, est très basse : 10 à 12 Kelvin, c'est à dire 10 à 12 degrés au dessus du zéro absolu. Comment peut-on observer ce qui se passe dans ces nuages très froids ? C'est assez difficile.

Dans notre galaxie, les gaz composant les nébuleuses sont des résidus de matière déjà transformée par des étoiles plus anciennes. Il ne sont plus seulement constitués d'hydrogène et d'hélium, mais ont été enrichis de petites quantités d'éléments plus lourds produits au coeur de ces anciennes étoiles : oxygène, azote, carbone, souffre, silicium, fer... Lorsque la matière est assez dense, des réactions chimiques se produisent et des molécules plus complexes se forment. On trouve dans ces nuages des molécules telles que du monoxyde de carbone CO, du monoxyde de soufre SO, de l'eau H2O, de l'ammoniac NH3, ou une molécule ionisée telle que N2H+.

Mais dans l'espace, il n'y a pas que des gaz. Il y a aussi de la poussière. Or lorsque la température est très basse, les molécules ne restent pas à l'état gazeux, elles se collent aux poussières, les recouvrant d'une sorte de pellicule de glace, faisant grossir ces grains, ce qui les rend d'autant plus opaques. Les nuages froids proto-stellaires sont donc très poussiéreux. Et il est difficile de voir à travers la poussière.

Pour étudier ces nuages, le mieux est donc a priori d'en observer les poussières. Les astronomes ont beaucoup appris avec de telles observations. Notamment, ils avaient montré que les poussières, contrairement à ce que prévoyaient les modèles théoriques alors en cours, pouvaient descendre à des températures de 7 ou 8 Kelvins. Des astronomes pensaient alors que les gaz ne descendraient pas à des températures aussi basses que la poussière. D'autre part, la matière qui se condense est principalement formée de gaz. Les poussières s'accumulent dans ces régions, mais moins efficacement que le gaz. Pour ces diverses raisons, il est important d'observer directement les gaz.

Or dans ces nuages très froids, l'hydrogène monoatomique (H) est rare, on le trouve surtout à l'état moléculaire H2... qui ne rayonne pas à des fréquences observables depuis la Terre. L'hélium ne rayonne pas.. Il faut donc observer des molécules. Les mouvements internes des molécules -vibrations, rotations- dans ces milieux très froids provoquent des rayonnements infrarouges et radio.

Une équipe d'astronomes français a passé en revue quelles molécules sont susceptibles, par "grand froid" d'émettre des radiations capables ensuite de traverser les nuages sans être trop absorbées par les poussières.

Il ont trouvé une "bonne molécule", ionisée, composée d'azote et d'hydrogène : N2H+. A l'aide du télescope Canada-France-Hawaï (à Hawaï) et d'observations avec les radios télescopes de l'IRAM (en Espagne) et Greenbank (USA), ils ont pu étudier la répartition et les vitesses du gaz N2H+ dans la nébuleuse L183, un nuage dont certaines parties sont denses et très froides. Ils ont pu ainsi accéder aux coeurs les plus enfouis des nuages sur le point de subir un effondrement gravitationnel.

L'interprétation de ces observations a permis de confirmer l'existence de ces zones denses dans les nuages de gaz et de poussière, mais aussi d'en mesurer la température. Ils sont encore plus froids que ce à quoi on s'attendait : 7 Kelvins seulement. Contrairement aux attentes de certains théoriciens, le gaz est donc aussi froid que les poussières. Les astronomes ont montré que dans ces régions très froides, non seulement la pression est très basse, mais les flux de matière gazeuse sont très peu turbulents. Pour l'instant, toute semble calme. Mais toutes les conditions sont effectivement réunies pour que ces nuages très froids s'effondrent un jour en proto-étoiles, qui deviendront plus tard des étoiles, c'est à dire les fournaises chauffées en leur coeurs à des dizaines de millions de degrés... La nature n'a pas peur des contrastes saisissants.

 

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Image en bande I du nuage L183 prise au CFHT (Canada-France-Hawaï Telescope) Au centre se trouve une zone noire, obscurcie par la poussière (ne révélant aucune étoile de fond), entourée de lumière diffusée, représentée par la nébuleuse bleue.
Crédit : CFHT et Observatoire de Paris

 

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