synthèse astrochimique

Dans les recoins les plus froids et les plus sombres du cosmos, les grains de poussière se couvrent de glace, comme une vitre par un jour de gel. Cette glace n'est pas seulement de l'eau gelée : il y a aussi du monoxyde de carbone et du dioxyde de carbone.

Dans un épais nuage moléculaire, au bord d'un gaz lumineux, un tapis roulant invisible est à l'œuvre. Il prend de simples fragments — des atomes isolés et des paires légères — et les colle un à un pour former de longues chaînes carbonées et des anneaux. La première pièce de ce tapis roulant a longtemps échappé aux regards. On vient de la trouver.

Dans les profondeurs noires du cosmos, à la surface de minuscules grains de glace, se déroule un chantier silencieux. Là où la température chute presque jusqu'au zéro absolu et où règne un rayonnement intense, l'acide aminé glycine (la brique protéique la plus simple) s'assemble avec lui-même.

L'étoile AB Aur est jeune, elle a environ 4 millions d'années. Autour d'elle tourbillonne un disque dense de gaz et de poussière. Récemment, un long bras de gaz s'est écrasé dans ce disque — un flux de matière provenant du nuage environnant.

Le disque galactique ressemble à une ondulation figée à la surface de l'eau : chaque perturbation laisse une trace que l'on peut lire des milliards d'années plus tard.

L'âge d'une étoile est la clé de l'histoire de la Galaxie. Mais arracher cette clé à la nature n'est pas chose aisée : contrairement à un arbre, une étoile ne produit pas de cernes annuels. Pourtant, son atmosphère renferme un code chimique : le rapport des éléments, qui a lentement changé au fil des générations d'étoiles qui mouraient et naissaient.

Erwin Schrödinger se demandait comment la vie maintient l'ordre malgré le deuxième principe de la thermodynamique. Il ne pouvait imaginer qu'une partie de la réponse se cachait dans l'instabilité des étoiles géantes.

La spectroscopie a toujours été une manière d'entendre l'inaudible. Au XIXe siècle déjà, Johann Jakob Balmer déchiffrait les raies harmonieuses de l'hydrogène — une simple harmonie numérique qui préfigurait la théorie quantique.

En 2019, un invité inhabituel a fait irruption dans le Système solaire : la comète 3I/ATLAS. Elle venait d'une autre étoile, et pour la première fois, les astronomes ont pu examiner la composition de sa queue de poussière.

Au cœur de la Voie lactée, dans le nuage G+0.693, les astronomes ont capté un signal sucré : les raies d'émission de l'érythrulose, un sucre simple à quatre atomes de carbone et quatre oxygène.

Un orchestre où chacun joue sa partition, et vous essayez d'entendre la voix discrète d'une flûte rare – sa mélodie se noie dans le son des violons et des trompettes. C'est à peu près cela, la chasse aux molécules dans les nuages interstellaires : les télescopes captent les « voix radio » de nombreuses substances, et distinguer le signal recherché parmi le bruit est une tâche ardue.

Pendant près d'un demi-siècle, les astronomes ont cherché délibérément la glycine – l'acide aminé le plus simple, l'un des éléments fondamentaux des protéines – dans le milieu interstellaire.

Un nuage géant de gaz et de poussière, si froid que la chaleur y est à peine perceptible — à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu. C'est TMC-1, dans la constellation du Taureau, l'un des berceaux de molécules les plus sombres et les plus denses de notre Galaxie.

Dans les nuages froids entre les étoiles, les grains de poussière sont recouverts de glace, comme les vitres en hiver de givre. Sur cette croûte glacée se produisent des réactions chimiques qui n'ont pas lieu dans le gaz. L'une d'elles est la rencontre d'un atome de carbone avec une molécule d'azote.

Chaque molécule est comme un jeu de construction d'atomes : les mêmes pièces peuvent être assemblées de différentes manières. Deux assemblages avec le même ensemble d'atomes mais une géométrie différente sont appelés isomères. Si l'un s'obtient de l'autre par une simple rotation autour d'une liaison, ce sont des conformères, comme un bras plié ou tendu.

Les radiotélescopes ont enregistré les raies spectrales d'émission de la source chaude compacte G358.93-0.03 MM1 — un cocon au sein duquel se forme une protostar massive. Dans ce rayonnement, on a identifié les raies du glycolamide, une molécule construite sur un squelette carboné.

Bien avant qu'une étoile ne s'embrase dans un nuage de gaz, une vie chimique y bouillonne déjà. Dans les amas de gaz froids et denses – appelés cœurs sans étoiles – les atomes s'assemblent en molécules, simples ou plus complexes. Pour observer cette cuisine invisible, les astronomes ont pointé le radiotélescope de 40 mètres de Yebes vers 23 de ces nuages dans la nébuleuse d'Orion.

Un nuage de gaz de la taille d'une petite galaxie s'abat sur la Voie lactée à des centaines de kilomètres par seconde. De tels nuages sont dits à haute vitesse, et jusqu'à présent on n'y avait jamais trouvé d'étoiles – seulement du gaz. Aujourd'hui, dans l'un d'eux, baptisé Complex H, des astronomes ont aperçu deux jeunes amas d'étoiles.

La cuisine où l'on fabrique les étoiles fonctionne selon une recette simple : autant de farine, autant de gâteaux. Pendant longtemps, les astronomes ont observé une relation stricte entre la masse d'une galaxie et la vitesse à laquelle elle forme des étoiles, et ils l'ont considérée comme une règle à part entière.

La cuisine d'une galaxie lointaine ne se limite pas à son disque brillant. Autour de chaque système stellaire flotte un nuage de gaz invisible, comme la vapeur au-dessus d'une casserole de soupe. Des astronomes ont observé cette vapeur autour de galaxies telles qu'elles étaient seulement un milliard et demi d'années après le Big Bang.

Lorsqu'une jeune étoile éjecte des jets de gaz, ceux-ci percutent le nuage environnant comme un poing s'enfonçant dans un oreiller. Au point d'impact, le gaz est comprimé et chauffé : c'est une onde de choc. Dans cette zone brûlante, les atomes et les molécules simples entrent en collision et s'assemblent en composés plus volumineux, appelés molécules organiques complexes.

Dans un nuage sombre et froid entre les étoiles, un grain de poussière de la taille d'un millième de millimètre capture de légères molécules. Le monoxyde de carbone et l'hydrogène adhèrent à sa surface comme des gouttes de pluie sur une vitre et réagissent.

Dans un nuage où naissent des étoiles massives, il existe un cœur dense et chaud. Comme dans une cuisine surpeuplée où la chaleur de la cuisinière fait évaporer les odeurs, ici la chaleur des jeunes étoiles fait s'évaporer les molécules de la surface des grains de poussière cosmique.

Dans les nuages sombres et froids où les étoiles commencent tout juste à se former, les grains de poussière s'habillent de manteaux de glace. Cette glace n'est pas seulement de l'eau gelée : elle contient aussi du dioxyde de carbone, du méthanol, de l'ammoniac et d'autres molécules.

Dans les nuages sombres et froids où naissent les étoiles, les grains de poussière sont recouverts d'une croûte de glace. Sur cette croûte, comme sur une route d'hiver, errent lentement des atomes isolés.

Grâce à James Webb et à la spectroscopie (la décomposition de la lumière en couleurs), des astronomes ont percé la poussière pour observer le cœur de la galaxie IRAS 07251-0248.

Dans un nuage de gaz froid tout près du centre de notre Galaxie, désigné par les astronomes sous le nom de G+0.693-0.027, se cache un véritable laboratoire de chimie. Là, loin des étoiles, à la surface de minuscules grains de poussière — de la taille de particules de fumée — les atomes s'assemblent en molécules, comme une pâte sur une table de cuisine.

Un grain de poussière cosmique est recouvert de glace, et sur cette glace, comme dans une minuscule cuisine, des molécules sont préparées. L'une d'elles est le méthanol, un alcool qui, dans l'espace, sert de matière première pour des composés plus complexes.