20.1 : Le milieu interstellaire

Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

• Expliquez la quantité de matière interstellaire présente dans la Voie lactée et quelle est sa densité typique
• Décrire comment le milieu interstellaire est divisé en composants gazeux et solides

Les astronomes appellent matière interstellaire toute la matière entre les étoiles ; l'ensemble de la matière interstellaire est appelé milieu interstellaire (ISM). Une partie de la matière interstellaire est concentrée dans des nuages géants, dont chacun est connu sous le nom de nébuleuse (pluriel « nébuleuses », latin pour « nuages »). Les nébuleuses les plus connues sont celles que l'on peut voir briller ou réfléchir la lumière visible ; nous en retrouvons de nombreuses photos dans ce chapitre.

Les nuages interstellaires ne durent pas toute la durée de vie de l'univers. Ils sont plutôt comme des nuages sur Terre, qui se déplacent constamment, se fondent les uns dans les autres, grandissent ou se dispersent. Certaines deviennent suffisamment denses et massives pour s'effondrer sous leur propre gravité, formant de nouvelles étoiles. Lorsque les étoiles meurent, elles éjectent à leur tour une partie de leur matière dans l'espace interstellaire. Ce matériau peut alors former de nouveaux nuages et recommencer le cycle.

Environ 99 % de la matière entre les étoiles se présente sous forme de gaz, c'est-à-dire qu'elle est constituée d'atomes ou de molécules individuels. Les éléments les plus abondants dans ce gaz sont l'hydrogène et l'hélium (dont nous avons vu qu'ils sont également les éléments les plus abondants dans les étoiles), mais le gaz comprend également d'autres éléments. Une partie du gaz se présente sous forme de molécules, c'est-à-dire de combinaisons d'atomes. Le 1 % restant de la matière interstellaire est constitué de particules solides congelées composées de nombreux atomes et molécules appelées grains interstellaires ou poussière interstellaire (Figure\(\PageIndex{1}\)). Un grain de poussière typique est constitué d'un noyau de matériau ressemblant à de la roche (silicates) ou de graphite entouré d'un manteau de glace ; l'eau, le méthane et l'ammoniac sont probablement les glaces les plus abondantes.

Figure\(\PageIndex{1}\) Différents types de matière interstellaire. Les nébuleuses rougeâtres de cette photographie spectaculaire brillent de lumière émise par les atomes d'hydrogène. Les zones les plus sombres sont les nuages de poussière qui bloquent la lumière des étoiles situées derrière elles. La partie supérieure de l'image est remplie de la lueur bleutée de la lumière réfléchie par des étoiles chaudes enfouies à la périphérie d'un énorme nuage frais de poussière et de gaz. La superbe étoile supergéante Antares peut être vue sous la forme d'une grande tache rougeâtre dans la partie inférieure gauche de l'image. L'étoile perd une partie de son atmosphère extérieure et est entourée d'un nuage qu'elle a lui-même créé et qui reflète la lumière rouge de l'étoile. La nébuleuse rouge au centre droit entoure partiellement l'étoile Sigma Scorpii. (À droite d'Antarctique, vous pouvez voir M4, un amas beaucoup plus éloigné d'étoiles extrêmement anciennes.)

Si tout le gaz interstellaire de la Galaxie était réparti de manière uniforme, il n'y aurait qu'environ un atome de gaz par cm ³ dans l'espace interstellaire. (En revanche, l'air de la pièce où vous lisez ce livre contient environ 1019 atomes par cm3.) Les grains de poussière sont encore plus rares. Un kilomètre ³ d'espace ne contiendrait que quelques centaines à quelques milliers de petits grains, dont chacun est généralement inférieur à un dix millième de millimètre de diamètre. Ces chiffres ne sont toutefois que des moyennes, car le gaz et la poussière sont distribués de manière inégale et irrégulière, tout comme la vapeur d'eau de l'atmosphère de la Terre est souvent concentrée dans les nuages.

Dans certains nuages interstellaires, la densité du gaz et de la poussière peut dépasser la moyenne de mille fois ou plus, mais même cette densité est plus proche du vide que celle que nous pouvons créer sur Terre. Pour montrer ce que nous voulons dire, imaginons un tube d'air vertical allant du sol au sommet de l'atmosphère terrestre avec une section transversale d'un mètre carré. Prolongons maintenant le tube de la même taille depuis le sommet de l'atmosphère jusqu'à la limite de l'univers observable, à plus de 10 milliards d'années-lumière. Aussi long soit-il, le second tube contiendrait toujours moins d'atomes que celui de l'atmosphère de notre planète.

Bien que la densité de la matière interstellaire soit très faible, le volume d'espace dans lequel cette matière se trouve est énorme, de sorte que sa masse totale est importante. Pour comprendre pourquoi, nous devons garder à l'esprit que les étoiles n'occupent qu'une infime fraction du volume de la Voie lactée. Par exemple, il suffit à la lumière d'environ quatre secondes pour parcourir une distance égale au diamètre du Soleil, mais plus de quatre ans pour se rendre du Soleil à l'étoile la plus proche. Même si les espaces entre les étoiles sont peu peuplés, il y en a beaucoup !

Les astronomes estiment que la masse totale de gaz et de poussière dans la Voie lactée est égale à environ 15 % de la masse contenue dans les étoiles. Cela signifie que la masse de matière interstellaire de notre Galaxie représente environ 10 milliards de fois la masse du Soleil. La Galaxie regorge de matières premières pour créer des générations de nouvelles étoiles et planètes (et peut-être même des étudiants en astronomie).

Exemple\(\PageIndex{1}\) : Estimation de la masse interstellaire

Vous pouvez faire une estimation approximative de la masse interstellaire que contient notre Galaxie et du nombre de nouvelles étoiles qui pourraient être créées à partir de cette matière interstellaire. Tout ce que vous devez savoir, c'est la taille de la galaxie et sa densité moyenne en utilisant cette formule :

\[ \text{total mass } = \text{ volume } \times \text{ density of atoms } \times \text{ mass per atom } \nonumber\]

N'oubliez pas d'utiliser des unités cohérentes, telles que les mètres et les kilogrammes. Nous supposerons que notre galaxie a la forme d'un cylindre ; le volume d'un cylindre est égal à la surface de sa base multipliée par sa hauteur

\[V=\pi R^2h \nonumber\]

où\(R\) est le rayon du cylindre et\(h\) sa hauteur.

Supposons que la densité moyenne de l'hydrogène gazeux dans notre Galaxie soit d'un atome par cm ³. Chaque atome d'hydrogène a une masse de 1,7 × 10 ⁻²⁷ kg. Si la Galaxie est un cylindre d'un diamètre de 100 000 années-lumière et d'une hauteur de 300 années-lumière, quelle est la masse de ce gaz ? Combien d'étoiles de masse solaire (2,0 × 10 ³⁰ kg) pourraient être produites à partir de cette masse de gaz si elle était entièrement transformée en étoiles ?

Solution

Rappelons qu'une année-lumière = 9,5 × 10 ¹² km = 9,5 × 10 ¹⁷ cm, donc le volume de la Galaxie est

\[ V= \pi R^2 h = \pi \left( 50,000 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right)^2 \left( 300 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right) = 2.0×10^{66} \text{ cm}^3 \nonumber\]

La masse totale est donc

\[M=V \times \text{ density of atoms } \times \text{ mass per atom} \nonumber\]

\[2.0 \times 10^{66} \text{ cm}^3 \times \left(1 \text{ atom/cm}^3 \right) \times 1.7 \times 10^{–27} \text{ kg} =3.5 \times 10^{39} \text{ kg} \nonumber\]

Cela suffit pour faire

\[N= \frac{M}{\left( 2.0 \times 10^{30} \text{ kg} \right)}=1.75 \times 10^9 \nonumber\]

étoiles de masse égale à celle du Soleil. Cela représente environ 2 milliards d'étoiles.

Exercice\(\PageIndex{1}\)

Vous pouvez utiliser la même méthode pour estimer la masse de gaz interstellaire autour du Soleil. La distance entre le Soleil et l'autre étoile la plus proche, Proxima Centauri, est de 4,2 années-lumière. Nous verrons dans la matière interstellaire autour du Soleil que le gaz situé à proximité immédiate du Soleil est moins dense que la moyenne, environ 0,1 atome par cm ³. Quelle est la masse totale d'hydrogène interstellaire dans une sphère centrée sur le Soleil et s'étendant jusqu'à Proxima Centauri ? Comment cela se compare-t-il à la masse du Soleil ? Il est utile de se rappeler que le volume d'une sphère est lié à son rayon :

\[ V=(4/3) \pi R^3 \nonumber\]

Réponse

Le volume d'une sphère s'étendant du Soleil à Proxima Centauri est de :

\[V=(4/3) \pi R^3=(4/3) \pi \left( 4.2 \times 9.5 \times 10^{17} \text{ cm} \right)^3=2.7×10^{56} \text{ cm}^3 \nonumber\]

Par conséquent, la masse d'hydrogène dans cette sphère est :

\[M=V \times \left( 0.1 \text{ atom/cm}^3 \right) \times 1.7 \times 10^{–27} \text{ kg } = 4.5 \times 10^{28} \text{ kg} \nonumber\]

Ce n'est que\( \left(4.5 \times 10^{28} \text{ kg} \right)/ \left(2.0 \times 10^{30} \text{ kg} \right) = 2.2 /%\) la masse du Soleil.

NOMMER LES NÉBULEUSES

En regardant les légendes de certaines des photographies spectaculaires de ce chapitre et de La naissance des étoiles et la découverte de planètes hors du système solaire, vous remarquerez la variété des noms donnés aux nébuleuses. Quelques-uns, qui, dans les petits télescopes, ressemblent à quelque chose de reconnaissable, portent parfois le nom de créatures ou d'objets auxquels ils ressemblent. Les exemples incluent les nébuleuses du crabe, de la tarentule et du trou de serrure. Mais la plupart n'ont que des numéros qui sont des entrées dans un catalogue d'objets astronomiques.

Le catalogue le plus connu des nébuleuses (ainsi que des amas d'étoiles et des galaxies) a peut-être été compilé par l'astronome français Charles Messier (1730-1817). La passion de Messier était la découverte des comètes, et son dévouement à cette cause lui a valu le surnom de « Comète Ferret » du roi Louis XV. Lorsque l'on voit des comètes se diriger vers le Soleil pour la première fois, elles ressemblent à de petites plaques de lumière floues ; dans les petits télescopes, il est facile de les confondre avec des nébuleuses ou des groupes d'étoiles si éloignées que leur lumière se mélange entièrement. À maintes reprises, le cœur de Messier bondit alors qu'il pensait avoir découvert l'une de ses comètes les plus précieuses, pour découvrir qu'il avait « simplement » observé une nébuleuse ou un amas.

Frustré, Messier a entrepris de cataloguer la position et l'apparence de plus de 100 objets qui pourraient être confondus avec des comètes. Pour lui, cette liste n'était qu'un outil dans le cadre de l'œuvre bien plus importante de la chasse aux comètes. Il serait très surpris s'il revenait aujourd'hui pour découvrir que personne ne se souvient plus de ses comètes, mais son catalogue de « choses floues qui ne sont pas des comètes » est toujours largement utilisé. Lorsque la figure\(\PageIndex{1}\) fait référence à M4, elle indique la quatrième entrée de la liste de Messier.

Une liste beaucoup plus complète a été compilée sous le titre du Nouveau catalogue général (NGC) des nébuleuses et des amas d'étoiles en 1888 par John Dreyer, travaillant à l'observatoire d'Armagh, en Irlande. Il a basé sa compilation sur les travaux de William Herschel et de son fils John, ainsi que de nombreux autres observateurs qui les ont suivis. Avec l'ajout de deux autres listes (appelées catalogues d'index), la compilation de Dreyer a finalement inclus 13 000 objets. Les astronomes utilisent encore aujourd'hui ses numéros NGC pour désigner la plupart des nébuleuses et des groupes d'étoiles.

Résumé

Environ 15 % de la matière visible de la Galaxie se présente sous forme de gaz et de poussière, qui servent de matière première aux nouvelles étoiles. Environ 99 % de cette matière interstellaire se présente sous forme de gaz, d'atomes ou de molécules individuels. Les éléments les plus abondants dans le gaz interstellaire sont l'hydrogène et l'hélium. Environ 1 % de la matière interstellaire se présente sous forme de grains de poussière interstellaires solides.

Lexique

poussière interstellaire

de minuscules grains solides dans l'espace interstellaire censés être constitués d'un noyau de matière semblable à de la roche (silicates) ou de graphite entouré d'un manteau de glace ; l'eau, le méthane et l'ammoniac sont probablement les glaces les plus abondantes

milieu interstellaire (ISM)

(ou matière interstellaire) le gaz et la poussière entre les étoiles d'une galaxie

nébuleuse

un nuage de gaz ou de poussière interstellaire ; le terme est le plus souvent utilisé pour désigner les nuages qui brillent avec de la lumière visible ou des infrarouges