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  • Nouveaux indices sur le mystère centenaire des bandes interstellaires diffuses

    Posté le 4 février 2011

    Dans une étude qui repousse les limites des observations possibles depuis la Terre, une équipe de scientifiques de la NASA et de scientifiques européens ont enregistré les « empreintes » de mystérieuses molécules dans la galaxie du Triangle et dans la galaxie Andromède. Le nombre de galaxies étudiées jusqu’à présent pour ce genre d’empreintes, que l’on pense appartenir à de grosses molécules organiques, peut se compter sur les doigts d’une main explique Martin Cordiner (du Goddard Center for Astrobiology)


    Andromède, est une des 2 galaxies où les astronomes ont récemment cherché des bandes interstellaires diffuses (DIBs). Si les DIBs ont été trouvés en regardant en ligne droite à partir de la Terre vers une étoile dans la galaxie, l’étoile est cerclée. Des cercles plus gros indiquent des DIBs plus intenses. Un « x » signifie qu’aucune DIB n’a été observée. Les couleurs dans les encadrés (gauche, droite, bas) correspondent aux longueurs d’onde du spectre : bleu pour les UV, vert pour la lumière visible et rouge pour l’infrarouge.

    Comprendre exactement quelles sont les molécules qui laissent ces traces, connues sous le nom de « bandes interstellaires diffuses » (DIB – Diffuse Interstellar Bands) est une énigme qui semblait simple au départ mais qui est restée sans réponse depuis près de 100 ans. La réponse est très attendue pour aider à expliquer comment les étoiles, les planètes et la vie se forment. Régler cette question est aussi importante pour les astronomes spécialistes en chimie et en biologie que la détermination de la nature de la matière noire l’est pour les spécialistes de la physique.

    Martin Cordiner (Goddard Center for Astrobiology) a présenté le travail de son équipe à la conférence de l’American Astronomical Society du 10 janvier dernier. Leur découverte fournit quelques preuves qui vont à l’encontre de l’un des principaux candidats sur la liste des suspects : les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), un groupe de molécules qui est très répandu dans l’Espace. Cette recherche révèle également que certaines signatures découvertes dans les galaxies d’Andromède et du Triangle sont similaires à celles observées dans notre Voie Lactée, malgré quelques grandes différences entre ces galaxies et la notre.

    « Nous avons étudié les DIBs dans des environnement très variés. Certains ont de faibles niveaux de rayonnement UV. Certains ont des niveaux de rayonnement des milliers de fois plus élevés. Certains ont différentes quantités d »ingrédients’ disponibles pour la fabrication des étoiles et des planètes ». « Et à travers tous ces environnements, nous voyons des DIBs »

    Jusqu’à maintenant, seuls 2 galaxies ont été étudiées en détail pour leurs DIBs. Ces galaxies sont nos voisines les plus proches : Le Grand Nuage de Magellan et le Petit Nuage de Magellan (situées à environ 160 000 et 180 000 années-lumière de la Terre).

    Andromède (M31) et la galaxie du Triangle (M33) se trouvent beaucoup plus loin à environ 2,5 et 3 millions d’années-lumière de la Terre. « A ces distances, les étoiles ont une luminosité si faible que nous devons pousser les plus grands télescopes du monde à leurs limites pour les observer ».

    Ceci peut sembler étrange pour ceux qui ont regardé le ciel nocturne et ont vu l’une de ces galaxies à l’oeil nu. Dans des conditions favorables, les galaxies apparaissent comme des taches dans les constellations qui portent leurs noms respectifs.

    Mais, pour étudier les DIBs, les chercheurs doivent faire beaucoup plus que de voir la galaxie. Ils doivent repérer chaque étoile de la galaxie. Et seulement quelques télescopes sont assez puissants pour cela. (l’équipe a utilisé le télescope de l’observatoire Gemini à Hawai). C’est pour cela que la plupart des DIBs ont été repérées dans notre galaxie jusqu’à maintenant.


    La galaxie du Triangle, située à 3 millions d’années-lumière de la Terre est l’autre galaxie où les chercheurs ont trouvé des bandes interstellaires diffuses. Les observations détaillées nécessaires pour voir les DIBs le long d’une ligne droite de la Terre à une étoile dans une galaxie aussi éloignée a repoussé les limites des plus grands télescopes actuels

    Quelle que soit la galaxie qu’un astronome choisit, elle est constituée de dizaines de centaines de milliards d’étoiles. « Le premier pas est de choisir quelle étoile observer ». explique Cordiner.

    Les collègues de Cordiner de la Queens’s University de Belfast (Royaume-Uni) a pris la tête pour trouver de bonnes cibles. Ils ont choisi des supergéantes bleues – des étoiles très grandes, très chaudes et très brillantes.

    Pour trouver les DIBs, un astronome pointe son télescope vers une étoile et parcourt un arc-en-ciel composé de milliers de longueurs d’ondes de lumière. Cet arc-en-ciel, ou spectre, s’étend au-delà de la lumière visible, de l’ultraviolet à l’extrémité du bleu et de l’infrarouge à l’extrémité du rouge.

    Les DIBs ne sont pas définies par ce qu’un astronome voit en faisant cela mais plutôt par ce qu’il ne voit pas. Les couleurs qui manquent dans cet arc-en-ciel sont marqués de bandes noires. Ce sont ces bandes noires qui sont intéressantes. Chacune d’elle est une longueur d’onde ayant été absorbée par un certain type d’atome ou de molécule.

    Un DIB est une de ces régions où une couleur manque. Mais par rapport aux raies d’absorption identifiées avec des atomes ou de simples molécules, celles des DIB sont très spéciales :

    « Les astronomes étaient habitués à voir des bandes étroites assez nettes là où les atomes ou molécules absorbent » explique Martin Cordiner. « Mais les DIBs sont larges, c’est pour cela qu’elles sont appelées ‘diffuses’. Certaines DIBs ont des formes simples et sont assez lisses mais d’autres ont des bosses et des distortions et peuvent même être de travers ».

    Au fil du temps, les astronomes ont alimenté des catalogues pour montrer exactement quelles longueurs d’onde sont absorbées par toutes sortes d’atomes et de molécules. Chaque molécule a son propre motif qui peut être utilisé comme une empreinte (ou une signature) : si l’on trouve un motif découvert lors d’une observation astronomique correspond à celui d’un des catalogues, la molécule peut être identifiée.

    C’est un concept assez simple. C’est pour cela que les chercheurs « n’auraient certainement pas pensé que la solution au problème de bande diffuse serait aussi insaisissable », écrivit Peter Sarre dans un article de 2006 à propos des DIBs. C’est Peter Sarre, professeur de chimie et d’astrophysique moléculaire à l’Université de Nottingham (Royaume-Uni) qui a supervisé le travail de graduate school (3e cycle universitaire) de Cordiner à propos des DIBs.

    L’importance des premières DIBs, documentées en 1922 dans la thèse de doctorat de Mary Lea Heger, n’a pas été immédiatement reconnue. Mais dès que les astronomes ont commencé des études systématiques, en commençant par un papier de 1934 de P. W. Merrill, ils avaient toutes les raisons de croire que le problème pourrait être solutionné dans une décennie ou deux.

    Plus de 400 DIBs ont été documentées depuis. Mais pas une seule n’a été identifiée avec assez de certitude pour les astronomes pour considérer que l’affaire était close.

    « Avec autant de bandes diffuses interstellaires identifiées, vous pourriez penser que les astronomes auraient eu assez d’indices pour résoudre ce problème » (Joseph Nuth, scientifique au Goddard Center for Astrobiology). « Au lieu de cela, il devient de plus en plus mystérieux à mesure que davantage de données sont recueillies.

    Des analyses détaillées des bosses et distortions des DIBs suggèrent que les molécules qui engendrent les DIBs – appelées « porteuses » – sont probablement assez grosses (20 atomes ou plus). C’est assez petit comparé à une protéine par exemple, mais énorme par rapport à une molécule de monoxide de carbone, molécule très courante dans l’Espace.

    Cependant, un intérêt particulier a récemment été porté sur au moins une petite molécule : une chaîne constituée de 3 atomes de carbone et de 2 atomes d’hydrogène (C3H2) qui a été identifiée avec un motif de DIB.

    Toutes les molécules possiblement liées aux DIBs ont une chose en commun : elles sont organiques, ce qui signifie qu’elle sont basées en grande partie sur du carbone.

    Le carbone est idéal pour la fabrication d’un grand nombre de molécules car il est disponible pratiquement partout. Dans l’Espace, seul l’hydrogène, l’hélium et l’oxygène sont plus répandus. Ici, sur Terre, nous trouvons du carbone dans la croûte terrestre, les océans, l’atmosphère et toutes les formes de vie.

    De la même manière, les astronomes « voient des DIBs dans à peu près toutes les directions où nous regardons » explique Jan Cami, astronome à l’University of Western Ontario (Canada) qui a déjà collaboré avec Cordiner mais n’est pas lié à cette étude. « Et nous voyons beaucoup de DIBs ».

    Le carbone est aussi idéal pour créer des molécules dans toutes sortes de configurations – des millions de composés carbone ont été identifiés – et spécialement pour créer des molécules stables.

    Les porteuses de DIB semblent assez stables. Elles survivent aux dures conditions physiques du milieu interstellaire (l’espace entre les étoiles). Elles tiennent bon dans le Grand Nuage de Magellan où les niveaux de radiation sont des milliers de fois plus intenses dans dans la Voie Lactée. En fait, explique Cordiner, les porteuses de DIB semblent à l’aise presque partout, sauf dans les nuages de gaz dense où naissent les étoiles.

    « Les porteuses se forment facilement mais ne se détruisent pas facilement dans une large gamme d’environnements » selon Cordiner. « Ilest remarquable de constater à quel point ces molécules sont tenaces ».

    En bref, on pense que les porteuses sont constituées de carbone a déclaré Jan Cami « parce qu’il est beaucoup plus facile de construire des molécules solides et stables à partir d’atomes de carbones qu’à partir d’autres éléments tels que le silicium ou le soufre. En utilisant ces éléments plutôt que du carbone serait comme construire une maison à partir d’un seau de sable alors qu’il y a une énorme pile de briques sur le site de construction ».

    Les 3 premières molécules candidates sont les molécules en forme de chaîne comme celle que l’on a provisoirement associée avec les motifs des DIBs; les PAHs qu’on rencontre souvent dans les études de la formation des planètes; et les composés apparentés aux fullerènes, des molécules en forme de ballon de foot appelées également Buckyballs.

    « Cette liste couvre la plupart des types de molécules » note Cami. « Les chaines sont essentiellement des molécules de carbone à une dimension, les PAHs sont à 2 dimensions et les composés fullerènes sont à 3 dimensions »

    En dépit des défis de la recherche de DIBs dans d’autres galaxies, cela en vaut la peine pour les astronomes parce qu’ils ont besoin de voir à quoi ressemblent les DIBs dans différentes conditions.

    Les conditions ne sont pas uniformes au sein d’une galaxie. Certaines étoiles ont des étoiles proches d’elles, d’autres n’en ont pas. Entre les étoiles, dans les vastes étendues du milieu interstellaire, les quantités relatives de gaz et de poussière peuvent être différentes d’une région à l’autre. Et le mélange exacte des éléments chimiques peut varier légèrement d’un endroit à un autre.

    Etre sur la Terre et chercher un objet dans la Voie Lactée, c’est comme être dans une foule nombreuse et essayer de trouver un ami. Il est plus facile de repérer la personne si vous êtes à un balcon que si vous vous trouvez dans la foule. De même, il est plus facile d’avoir un meilleur aperçu d’une galaxie en l’observant de l’extérieur.

    A certains égards, les galaxies d’Andromède et du Triangle sont similaires à notre Voie Lactée. Toutes les 3 sont des galaxies spirales qui appartiennent à une collection de plus de 30 galaxies proches appelée le Groupe Local. La Voie Lactée est la plus grande de ce groupe, suivie de Andromède et de la galaxie du Triangle.

    Comme la Voie Lactée, on pense que Andromède et la galaxie du Triangle sont de bons endroits pour synthétiser de grandes molécules organique (porteuses des DIBs). Et pourtant, explique Cordiner, « Personne ne savait jusqu’à maintenant si les DIBs existaient dans une de ces 2 galaxies ».

    L’équipe a découvert que les DIBs existent dans ces 2 galaxies et qu’elles sont intenses, ce qui implique qu’il y a de nombreuses molécules porteuses.

    Dans la Voie Lactée, lorsque les chercheurs détectent des DIBs intenses, ils tendent à trouver beaucoup de poussière également. C’est logique car à chaque fois qu’il y a plus de matériel brut disponible pour fabriquer des porteurs de DIBs, il y en a aussi plus pour fabriquer de la poussière. Les chercheurs ont constaté la même situation dans Andromède.

    Un intérêt de l’étude d’Andromède était de savoir si l’intensité des DIBs était liée à la quantité de PAHs. Les chercheurs savaient, en se lançant dans cette étude, que les PAHs étaient abondants sur Andromède comme ils le sont dans la Voie Lactée.

    « Les détails de la population de PAH semblent être quelque peu différents dans Andromède, cependant » explique Cami. « Cela rend intéressant d’essayer de découvrir exactement ce qui est différent ».

    Mais après avoir vérifié si les niveaux de PAHs étaient liés à l’intensité des DIBs, « Nous n’avons trouvé aucune corrélation entre les 2 » (Cordiner). Cette découverte n’exclut pas qu’il y ait un lien mais elle dévie l’attention vers les chaines d’atomes de carbone ou les composés fullerènes.

    Les porteuses ne sont pas de pures fullerènes isolés explique Cami, qui a dirigé l’équipe ayant détecté les premières fullerènes dans l’Espace. Plus probablement, « les atomes ou molécules sont soit bloqués dans des cages de fullerènes ou attachées à la surface ». « Cela pourrait même tenir pour quelques autres molécules proposées. Par exemple, vous pourriez imaginer des chaînes de carbones suspendues à d’autres molécules ou même à des grains de poussière »

    Une grande différence entre la Voie Lactée et Andromède est le nombre de jeunes étoiles massives. La Voie Lactée en contient plus que Andromède. Parce que ces jeunes étoiles génèrent beaucoup de radiation ultraviolette, le milieu interstellaire de la Voie Lactée a des niveaux plus élevés de cette radiation que Andromède.

    Plus de radiation signifie un environnement plus rude. Les molécules devraient survivre plus facilement dans un environnement avec moins de radiation. En ce sens, Andromède devrait être plus favorable aux porteuses de DIBs et, en théorie, devrait en comporter plus. Mais Cordiner et ses collègues ont découvert que les DIBs dans Andromède étaient seulement légèrement plus intenses que celles de notre Voie Lactée, ce qui implique que Andromède peut seulement prétendre à légèrement plus de porteuses.

    Les observations faites dans la galaxie du Triangle ajoutent encore plus d’intrigue. Les chercheurs y ont trouvé des DIBs intenses malgré le fait que cette galaxie diffère dans sa métallicité qui est la mesure de la disponibilité des ingrédients nécessaires à la formation des étoiles et des planètes.

    La cohérence d’une galaxie à une autre est surprenante, étant donné la variation des conditions entre elles (d’après ce que l’on croit). « Mais il n’y a pas d’études détaillées de Andromède qui nous dise tout ce que nous voulons savoir à propos des conditions qui y règnent » explique Cordiner « Et l’on en sait encore moins sur le Triangle ».

    Comme c’est habituellement le cas en astronomie de pointe, certaines hypothèses ont dû être faites, et beaucoup dépend de la résistance de ces hypothèses avec les nouvelles informations qui arrivent.

    Pendant ce temps, les chercheurs vont essayer d’apprendre tout ce qu’ils peuvent à propos des DIBs et des molécules organiques qu’elles représentent. « Si nous voulons comprendre complètement comment la chimie interstellaire fonctionne – comment les étoiles et les planètes se forment », explique Cordiner, « alors nous avons besoin d’une compréhension complète des ingrédients qu’elle utilise ».

    Traduction d’après « In Distant Galaxies, New Clues to Century-Old Molecule Mystery » de Elizabeth Zubritsky, Goddard Space Flight Center (NASA) – Credit image : M31 par Bill Schoening, Vanessa Harvey/REU program/NOAO/AURA/NSF. Encadrés de Nick Cox, Institute for Astronomy, K.U. Leuven, Galaxie du Triangle : NASA/Swift Science Team/Stefan Immler

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