métaux

Dans une galaxie lointaine, la lumière du gaz incandescent aurait dû révéler sa composition. Le télescope James Webb a décomposé cette lumière en spectre, et les astronomes ont vu : les raies de l'oxygène étaient trop faibles.

Les galaxies diffuses, éparpillées dans l'amas de Persée, ressemblent à des fantômes parmi leurs voisines brillantes. Elles sont si ténues que les objets lointains se voient à travers, et elles contiennent des centaines de fois moins d'étoiles que notre Voie lactée.

Une tache solaire — petit îlot sombre sur la surface de feu — mène une vie tumultueuse. Sous elle, dans les profondeurs invisibles, flottent d'immenses boucles magnétiques, semblables à des câbles torsadés.

Dans 1433 paires de galaxies dispersées dans le ciel, les astronomes ont remarqué un motif inhabituel. Les voisines situées « au-dessus » ou « en dessous » d'un système stellaire massif contiennent jusqu'à un quart d'oxygène de plus que celles qui se trouvent dans le plan de son disque.

Pendant treize milliards d'années, la lumière a voyagé à travers le vide cosmique. Elle contournait de massifs galaxie qui, comme l'avait prédit Einstein, agissaient comme des lentilles géantes — amplifiant et déformant le lointain rayonnement. En 2023, l'instrument NIRSpec à bord de James Webb a capté cette lumière et l'a décomposée en spectres.

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.

La nébuleuse d'Orion est la vitrine de l'astrophysique, un laboratoire pour étudier la formation stellaire à nos côtés. Depuis plus d'un siècle, sa lumière est décomposée en spectres, et chaque raie interdite murmure sa version du nombre d'électrons par centimètre cube.

Dans un gigantesque berceau cosmique — la nébuleuse de la Tarentule — des astronomes ont examiné 122 étoiles massives. Chacune est au moins 30 fois plus lourde que le Soleil. Ils ont mesuré la teneur en azote de leurs atmosphères, et le tableau s'est révélé inattendu.

Les étoiles à neutrons — vestiges de supernovae — sont parmi les objets les plus denses de l'Univers. Leur densité centrale dépasse de plusieurs fois la densité nucléaire, et leur gravité n'est surpassée que par les trous noirs.

Les étoiles massives sont des titans cosmiques dont la vie se déroule sous le signe d'une énergie indomptable. Lorsqu'une telle étoile entre dans la phase de supergéante B[e], son rayonnement est si puissant qu'il semblerait capable de pulvériser toute molécule en atomes.

Au centre de l'attention se trouvent de minuscules cités stellaires : les galaxies naines ultra-faibles. Elles ressemblent à des essaims de lucioles dispersés qui tournoient dans un vaste nuage invisible. Ce nuage est un halo de matière noire ultra-légère. Ses particules sont si légères qu'elles se comportent non pas comme des boules de billard, mais comme des ondes.

Imaginez une forêt plantée en une seule journée. De prime abord, tous les arbres se ressemblent, mais leurs troncs racontent des histoires différentes : certains ont poussé sur un sol vierge, d'autres sur les cendres d'anciens incendies.

La galaxie NGC 1277 ressemble à un vieux livre que personne n'a ouvert depuis des milliards d'années. Elle s'est formée rapidement, à l'aube de l'Univers, et n'a presque pas changé depuis — pas de collision avec des voisines, pas de nouvelles couches ajoutées.

Une planète de la taille de Neptune, mais chauffée à blanc. Sous les nuages, un océan de magma capable d'absorber toute une atmosphère d'hydrogène. Le nouveau modèle SEAMIST a pour la première fois suivi comment une telle dissolution change le destin de la planète, de sa naissance à sa vieillesse.

L'histoire a commencé il y a près d'un siècle, lorsque Edwin Hubble a montré que les galaxies s'éloignent, et que Fritz Zwicky et Vera Rubin ont compris plus tard que leurs mouvements nécessitent une masse invisible — la matière noire.

Dans un jardin où les premières fleurs non seulement s'épanouissent, mais laissent aussitôt tomber leurs graines bien au-delà de la clôture, il y a quelque chose d'incroyablement généreux. Quelque chose de semblable se passait dans l'Univers jeune.

Un feu allumé avec de l'alcool pur brûle fort et ne dégage presque pas de fumée. C'est à peu près ainsi que brillaient les premières étoiles — elles ne contenaient pas d'éléments lourds, seulement de l'hydrogène et de l'hélium laissés par le Big Bang.

La planète rouge est entourée de débris de mondes avortés — des blocs de pierre remplis de métal. Envoyer un kilogramme d'acier de la Terre vers Mars coûte autant que plusieurs voitures. Il est bien moins cher de récupérer de la ferraille spatiale directement en orbite.

Un pâtissier ajoute plus de sucre à sa pâte, et le gâteau change. Il en va de même pour une étoile : la composition de sa « pâte » — le nuage de gaz et de poussière qui donne naissance aux planètes — détermine quels mondes se forment autour d'elle.

Deux étoiles très petites et froides, semblables à la célèbre TRAPPIST-1, vivent dans le jeune amas stellaire du Scorpion supérieur. Elles n'ont que 5 à 10 millions d'années – des bébés à l'échelle cosmique. Autour de chacune tourne un disque de gaz et de poussière, dans lequel des planètes pourraient éventuellement se former.

Les étoiles anciennes, presque dépourvues d'éléments lourds, sont comme des fossiles des premières lueurs cosmiques. On a longtemps cru que l'étrange rapport entre le carbone, l'hydrogène et l'hélium dans trois de ces étoiles exigeait l'explosion d'une hypernova — une supernova extrêmement brillante, avec une énergie des centaines de fois…

L'hydrogène est le gaz le plus léger, mais il sait s'infiltrer dans les métaux. Si l'on comprime de l'hydrogène dans une bouteille en acier à haute pression, une partie des atomes se glisse entre les atomes du métal. Le métal peut devenir cassant comme un biscuit sec.

La Terre, dans sa jeunesse, ressemblait à une ruche : elle grandissait en agrégeant d'innombrables blocs de pierre. Une fois la construction principale achevée, un essaim tardif de météorites s'est abattu sur la jeune planète – ce qu'on appelle le grand bombardement tardif.

Le gaz d'une galaxie brille comme une enseigne au néon, et c'est en observant la couleur de cette lueur que les astronomes déterminent sa température. La logique est simple : plus le gaz contient d'éléments lourds (que les astronomes appellent « métaux »), plus il se refroidit efficacement. Les galaxies riches en métaux devraient donc être plus froides.

Au centre d'Oméga du Centaure, l'amas globulaire le plus massif de notre Galaxie, des milliers d'étoiles se serrent si densément que, depuis la Terre, leur lumière se fond en une tache scintillante. Séparer cet essaim en étoiles individuelles et connaître la composition de chacune est une tâche comparable au tri d'une fourmilière surpeuplée.

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.

Les premières étoiles se sont allumées dans des nuages qui ne contenaient que de l'hydrogène et de l'hélium. Les éléments lourds — carbone, oxygène, fer — sont apparus plus tard, à l'intérieur des étoiles.

Le système de Saturne, il y a 300 millions d'années, ressemblait à une piste de danse bondée. Le satellite le plus massif, Titan, a commencé à dériver, et ce mouvement a déséquilibré ses voisins. L'une des lunes a percuté Titan ; les débris ont tourbillonné, s'assemblant pour former Hypérion.

Les nuages de gaz de la Voie lactée donnent naissance à des étoiles, et les plus lourdes d'entre elles sont de véritables géantes. On pensait autrefois qu'une telle étoile s'allumait presque instantanément, comme une ampoule. Mais une nouvelle étude montre que l'étoile grandit progressivement, comme une boule de neige qui dévale une pente. Plus elle roule, plus elle grossit.

Une marmite en ébullition : la vapeur monte, l'eau bouillonne, et la température varie d'un point à l'autre. Il en va de même dans l'espace : les nuages de gaz autour des jeunes étoiles ne sont pas des sphères lisses, mais un mélange bouillonnant avec des tourbillons et des variations de densité.

Autour des jeunes étoiles, des disques de gaz et de poussière tourbillonnent — comme des chantiers de construction pour les futures planètes. C'est de cette matière que se formeront les mondes rocheux et les géantes gazeuses.

L'hélium d'un ballon de fête, c'est ce gaz qui le fait s'élever. Mais bien avant les ballons, l'hélium est apparu dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang.

Une carte de ville où, au lieu des rues, on aurait les vitesses des voitures, et au lieu des immeubles, la teneur en métaux des étoiles. Avec une telle carte, on peut repérer le centre et les périphéries sans connaître les distances exactes. C'est précisément cette approche qu'ont adoptée les astronomes pour notre Galaxie, en utilisant les diagrammes « longitude–vitesse » (ℓ–v).

Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre, comme un couple de patineurs sur la glace. Toutes deux ressemblent au Soleil, mais l'une brille plus fort et s'est gonflée, tandis que l'autre est restée compacte.

Dans la cuisine de la Galaxie, il existe une recette de soupe stellaire. L'ingrédient principal est l'hydrogène, mais le goût du plat dépend d'une pincée de métaux. Pour la première fois, des astronomes ont regardé dans les casseroles où cette pincée manque presque, et ils ont vu : il y manque les plus petites étoiles.

Dans les profondeurs de l'espace, à plus de 12 milliards d'années-lumière, le télescope James Webb a aperçu une galaxie qui semble être une invitée des premiers jours de l'Univers.

La théorie standard de la supraconductivité, élaborée par John Bardeen et ses collègues, n'explique pas pourquoi d'excellents conducteurs comme l'or et le cuivre ne passent jamais à l'état supraconducteur.

Dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie qui orbite autour de notre Voie lactée, des astronomes ont capturé cinq étoiles qui ressemblent à des fossiles d'un passé très lointain.

Une géante rouge ressemble à un ballon qui laisse échapper lentement son gaz. L'étoile gonfle, ses couches externes s'affaiblissent, et le vent stellaire emporte de la masse dans l'espace. Mais combien exactement l'étoile perd-elle ? C'est une question importante : de la réponse dépend ce que deviendra son reste — naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir.