abondances chimiques stellaires

Un recensement de la population par forme du corps : c'est ainsi que l'on peut décrire ce que les astronomes ont fait avec 6348 galaxies massives. Au lieu de la taille et du poids, ils ont mesuré à quel point la lumière est concentrée vers le centre, à quel point la galaxie est aplatie et à quel point sa forme est asymétrique.

À 40 années-lumière de nous se trouve une étoile longtemps passée inaperçue : TRAPPIST-1 émet dans l'espace deux mille fois moins de lumière que le Soleil. En revanche, elle possède sept planètes de la taille de la Terre, dont trois orbitent dans la zone où l'eau pourrait rester liquide. Mais on savait peu de choses sur l'étoile elle-même, sur sa chimie interne.

Le ciel nocturne en lumière neutrino ressemble à une toile sur laquelle travaillent deux mains. L'une tient un pinceau large et doux : ce sont les restes de supernova, les enveloppes laissées par les explosions d'étoiles. L'autre serre une plume fine et dure : les microquasars, des systèmes binaires où un trou noir enroule la matière en jets étroits.

Deux étoiles, AF Lep A et ε Indi A, ont fait l'objet d'une attention particulière. À l'aide du spectrographe GHOST installé sur le télescope Gemini, les astronomes ont décomposé leur lumière en couleurs et, grâce aux raies d'absorption, ont déterminé la quantité de carbone, d'oxygène, de soufre et de treize autres éléments présents dans…

Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre comme des danseurs qui se rapprochent puis s'éloignent. Avec le temps, l'une enfle et ses couches externes se déversent sur sa voisine. Celle qui reçoit la matière étrangère ne se distingue en rien d'une étoile solitaire — mais sa surface se souvient de tout.

Autour des jeunes étoiles tourbillonnent de plats nuages de gaz et de poussière — les futures systèmes planétaires. À l'intérieur de certains d'entre eux, un vide béant : la poussière et le gaz ont été balayés, comme si quelqu'un avait éclairci le milieu d'un disque vinyle.

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.

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.

Imaginez un manuscrit ancien sur lequel une nouvelle histoire a été écrite par-dessus l'ancien texte. Avec le temps, la couche supérieure s'amincit et laisse transparaître les lignes du passé. C'est exactement ainsi, tel un palimpseste, que sont faits les amas globulaires, les systèmes stellaires les plus vieux de l'Univers.

Chaque étoile est une archive vivante, et son spectre, un manuscrit multicouche. Pendant des milliards d'années, l'histoire de la galaxie s'y écrit : l'évolution chimique galactique de la Voie lactée laisse une trace continue dans l'abondance des éléments.

Pendant des années, le Soleil a taquiné les astrophysiciens. Dans son atmosphère, les éléments réfractaires — comme des épices dans une recette de base — étaient légèrement moins abondants que chez des étoiles jumelles presque identiques. Un soupçon a émergé : notre étoile ferait-elle la fine bouche, refusant le « dessert » planétaire que d'autres engloutissent avec appétit ?

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.

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.

L'amas de galaxies de Persée est une mégalopole géante de milliers d'îles stellaires, baignée dans un océan invisible de gaz surchauffé. Ce gaz, telle une brume urbaine, conserve les traces de toutes les usines chimiques qui ont fonctionné dans les galaxies pendant des milliards d'années : les explosions de supernovae qui dispersent des atomes fraîchement forgés.

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.

Le télescope James Webb a plongé son regard dans le disque de gaz et de poussière entourant une jeune étoile, là où naissent les planètes, et y a pour la première fois distingué de la glace d'eau lourde.

L'Univers résonne. Pas au sens habituel — sa symphonie est inscrite dans les infimes variations de densité dont sont issues les galaxies et nous-mêmes.

Les galaxies elliptiques sont de paisibles métropoles stellaires à la retraite. Selon toutes les lois, leur lumière devrait être calme, rougeâtre, comme un coucher de soleil. Mais les spectres crient le contraire : dans l'ultraviolet lointain, ces vieilles dames flambent comme des guirlandes de Noël.

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.

Dans un parc urbain, les arbres poussent plus vite que dans une forêt profonde. Non parce que le sol y est meilleur, mais parce que les branches s'y entrecroisent plus souvent et que les graines s'y échangent. C'est à peu près ce que vivent les galaxies du protomamasque de la Toile — un immense amas de matière qui, dans des milliards d'années, deviendra un amas mature.

Avec du carbone, de l'azote, de l'oxygène et du soufre, on peut composer 10⁶⁰ petites molécules différentes – c'est un un suivi de 60 zéros, plus que d'étoiles dans l'Univers visible. La vie n'utilise qu'une infime partie de ce menu, mais pas au hasard.

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 sombres et froids de gaz interstellaire, les astronomes remarquent depuis plusieurs années des molécules aromatiques – des composés dont la base est le cycle benzénique (un hexagone d'atomes de carbone), comme dans le benzène que nous connaissons.

Une bulle d'air s'échappe d'une fine aiguille au fond d'un verre et s'élève vers la surface. Dans l'eau pure, elle se comporte comme un ressort : elle s'aplatit puis s'étire, échangeant de l'énergie entre le mouvement et la forme. Ajoutez une goutte de savon à l'eau, et la bulle se calme immédiatement, devient presque parfaitement sphérique et monte régulièrement, sans trembler.

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…

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.

Aux débuts de la Terre, il y a environ quatre milliards d'années, la planète était un endroit hostile : un soleil terne, des impacts d'astéroïdes fréquents, un air sans oxygène. Dans ces conditions, les premiers pas de la vie semblent presque impossibles.

Au milieu du XXe siècle, l'astronome Vera Rubin a découvert que les étoiles aux confins des galaxies se déplacent trop vite — une masse invisible les retient. C'est ainsi qu'est né le mystère de la matière noire. Elle n'émet pas de lumière, mais se manifeste par la gravitation.

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 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.

En cuisine, ce qui compte, ce ne sont pas seulement les proportions des ingrédients, mais aussi leur quantité totale. Deux tartes avec le même rapport sucre/farine mais des portions de tailles différentes ne seront pas identiques.

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.

À 130 années-lumière de nous, autour de la jeune étoile HR 8799, orbitent quatre planètes géantes — chacune de 5 à 10 fois plus massive que Jupiter.

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 les galaxies des Antennes, qui se percutent l'une l'autre, d'immenses nuages de gaz sont entrés en collision à une vitesse de 50 kilomètres par seconde. C'est comme deux trains lancés l'un contre l'autre : le choc a comprimé le gaz, qui s'est embrasé en de nouvelles étoiles.

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.