20.5 : Le cycle de vie de la matière cosmique

Objectifs d'apprentissage

• Expliquer comment la matière interstellaire entre et sort de notre Galaxie et se transforme d'une phase à l'autre, et comprendre comment la formation et l'évolution des étoiles affectent les propriétés du milieu interstellaire
• Expliquez comment les éléments lourds et les grains de poussière présents dans l'espace interstellaire y sont arrivés et décrivez comment les grains de poussière aident à produire des molécules qui finissent par se retrouver dans les systèmes planétaires

Flux de gaz interstellaire

La chose la plus importante à comprendre à propos du milieu interstellaire est qu'il n'est pas statique. Le gaz interstellaire orbite à travers la Galaxie et, ce faisant, il peut devenir plus ou moins dense, plus chaud et plus froid, et modifier son état d'ionisation. Une parcelle de gaz peut être de l'hydrogène neutre à un moment donné, puis se retrouver près d'une jeune étoile chaude et faire partie d'une région H II. L'étoile peut alors exploser sous forme de supernova, chauffant le gaz voisin jusqu'à des températures de plusieurs millions de degrés. Sur des millions d'années, le gaz peut se refroidir à nouveau et redevenir neutre, avant de s'accumuler dans une région dense que la gravité accumule pour former un nuage moléculaire géant (Figure\(\PageIndex{1}\))

Figure Distribution\(\PageIndex{1}\) à grande échelle de la matière interstellaire. Cette image provient d'une simulation informatique de l'ensemble du milieu interstellaire de la Voie lactée. La majorité du gaz, visible dans des couleurs verdâtres, est de l'hydrogène neutre. Dans les régions les plus denses des bras spiraux, représentées en jaune, le gaz est collecté dans des nuages moléculaires géants. Les trous de faible densité dans les bras spiraux, représentés en bleu, sont le résultat d'explosions de supernova.

À tout moment de la Voie lactée, la majeure partie du gaz interstellaire en masse et en volume se présente sous forme d'hydrogène atomique. Les nuages moléculaires, beaucoup plus denses, occupent une infime fraction du volume de l'espace interstellaire mais ajoutent environ 30 % à la masse totale de gaz entre les étoiles. À l'inverse, le gaz chaud produit par les explosions de supernovas apporte une masse négligeable mais occupe une fraction significative du volume de l'espace interstellaire. Les régions H II, bien qu'elles soient visuellement spectaculaires, ne constituent qu'une infime fraction de la masse ou du volume de la matière interstellaire.

Cependant, le milieu interstellaire n'est pas un système fermé. Du gaz provenant de l'espace intergalactique tombe constamment sur la Voie lactée en raison de sa gravité, ajoutant du nouveau gaz au milieu interstellaire. À l'inverse, dans les nuages moléculaires géants où le gaz s'accumule sous l'effet de la gravité, le gaz peut s'effondrer pour former de nouvelles étoiles, comme indiqué dans La naissance des étoiles et la découverte de planètes en dehors du système solaire. Ce processus enferme la matière interstellaire dans les étoiles. À mesure que les étoiles vieillissent, évoluent et finissent par mourir, les étoiles massives perdent une grande partie de leur masse et les étoiles de faible masse en perdent très peu. En moyenne, environ un tiers de la matière incorporée dans les étoiles retourne dans l'espace interstellaire. Les explosions de supernova contiennent tellement d'énergie qu'elles peuvent expulser la masse interstellaire de la Galaxie et la renvoyer dans l'espace intergalactique. Ainsi, la masse totale du milieu interstellaire est déterminée par une compétition entre le gain de masse provenant de l'espace intergalactique, la conversion de la masse interstellaire en étoiles et la perte de masse interstellaire dans l'espace intergalactique due aux supernovae. L'ensemble de ce processus est connu sous le nom de cycle du baryon. Le baryon vient du mot grec qui signifie « lourd », et le cycle porte ce nom parce que c'est le processus répétitif que subissent les composants les plus lourds de l'univers, les atomes.

Le cycle de la poussière et des éléments lourds

Bien qu'une grande partie de la masse du milieu interstellaire soit constituée de matériaux accrétés au cours des derniers milliards d'années à partir de l'espace intergalactique, ce n'est pas le cas des éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, ni de la poussière. Au lieu de cela, ces composants du milieu interstellaire ont été fabriqués à l'intérieur des étoiles de la Voie lactée, ce qui les a renvoyées dans le milieu interstellaire à la fin de leur vie. Nous parlerons plus en détail de ce processus dans les chapitres suivants, mais pour l'instant, il suffit de garder à l'esprit ce que nous avons appris dans The Sun : A Nuclear Powerhouse. Ce que les étoiles « font pour vivre », c'est de fusionner des éléments plus lourds avec des éléments plus légers, produisant ainsi de l'énergie. À mesure que les étoiles arrivent à maturité, elles commencent à perdre certains des éléments nouvellement créés dans le réservoir de matière interstellaire.

Il en va de même pour les grains de poussière. La poussière se forme lorsque les grains peuvent se condenser dans les régions où le gaz est dense et frais. Les vents des étoiles froides et lumineuses (les géantes rouges et les supergéantes dont nous avons parlé dans The Stars : A Celestial Census) sont un endroit où les conditions sont réunies. Les grains peuvent également se condenser dans la matière projetée par l'explosion d'une supernova lorsque les gaz éjectés commencent à se refroidir.

Les grains de poussière produits par les étoiles peuvent croître encore davantage lorsqu'elles passent du temps dans les parties denses du milieu interstellaire, à l'intérieur des nuages moléculaires. Dans ces environnements, les grains peuvent se coller les uns aux autres ou accumuler des atomes supplémentaires à partir du gaz qui les entoure et grossir. Ils facilitent également la production d'autres composés, y compris certaines des molécules les plus complexes dont nous avons parlé plus tôt.

La surface des grains de poussière (voir Poussière cosmique), qui semblerait très grande si vous étiez un atome, fournit des « recoins » où ces atomes peuvent rester suffisamment longtemps pour trouver des partenaires et former des molécules. (Imaginez les grains de poussière comme des « clubs sociaux interstellaires » où des atomes solitaires peuvent se rencontrer et nouer des relations significatives.) Finalement, les grains de poussière sont recouverts de glace. La présence de la poussière protège les molécules à l'intérieur des nuages contre les rayons ultraviolets et les rayons cosmiques qui les briseraient.

Lorsque les étoiles commencent enfin à se former dans le nuage, elles chauffent les grains et évaporent les glaces. L'attraction gravitationnelle des étoiles nouvellement formées augmente également la densité de la matière nuageuse environnante. De nombreuses autres réactions chimiques se produisent à la surface des grains contenus dans le gaz qui entoure les étoiles nouvellement formées, et c'est dans ces zones que se forment les molécules organiques. Ces molécules peuvent être incorporées dans des systèmes planétaires nouvellement formés, et la Terre primitive a peut-être été ensemencée de cette manière.

En effet, les scientifiques pensent qu'une partie de l'eau de la Terre pourrait provenir de grains interstellaires. De récentes observations depuis l'espace ont montré que l'eau est abondante dans les nuages interstellaires denses. Comme les étoiles se forment à partir de ce matériau, l'eau doit être présente lorsque les systèmes solaires, y compris le nôtre, voient le jour. L'eau de nos océans et de nos lacs provient peut-être initialement de l'eau emprisonnée dans la matière rocheuse qui s'est accumulée pour former la Terre. Il est également possible que l'eau ait été amenée sur Terre lorsque des astéroïdes et des comètes (formés à partir du même nuage qui a formé les planètes) l'ont percutée plus tard. Les scientifiques estiment qu'un impact de comète tous les mille ans au cours du premier milliard d'années de la Terre aurait suffi à rendre compte de l'eau que nous voyons aujourd'hui. Bien entendu, les deux sources peuvent avoir contribué à l'eau dans laquelle nous aimons maintenant boire et nager.

Tous les grains interstellaires incorporés dans les étoiles nouvellement formées (au lieu des planètes plus froides et des corps plus petits qui les entourent) seront détruits par leurs températures élevées. Mais à terme, chaque nouvelle génération d'étoiles évoluera pour devenir des géantes rouges, animées de vents stellaires qui leur sont propres. Certaines de ces étoiles deviendront également des supernovae et exploseront. Ainsi, le processus de recyclage de la matière cosmique peut recommencer à zéro.

Concepts clés et résumé

La matière interstellaire circule constamment dans la Galaxie et change d'une phase à l'autre. Dans le même temps, du gaz est constamment ajouté à la Galaxie par accrétion depuis l'espace extragalactique, tandis que de la masse est retirée du milieu interstellaire en étant enfermée dans des étoiles. Une partie de la masse des étoiles est, à son tour, renvoyée dans le milieu interstellaire lorsque ces étoiles évoluent et meurent. En particulier, les éléments lourds de l'espace interstellaire ont tous été produits à l'intérieur des étoiles, tandis que les grains de poussière sont produits dans les régions extérieures des étoiles qui sont devenues géantes. Ces éléments et ces grains peuvent ensuite être incorporés dans de nouvelles étoiles et de nouveaux systèmes planétaires qui se forment à partir du milieu interstellaire.

Lexique

cycle des baryons

le cycle de la masse à l'intérieur et à l'extérieur du milieu interstellaire, y compris l'accrétion de gaz depuis l'espace intergalactique, la perte de gaz dans l'espace intergalactique et la conversion du gaz interstellaire en étoiles