Ce que le milieu interstellaire nous dit sur le premier univers.

Les composés contenant des gaz nobles ne se forment pas naturellement sur Terre. Mais entre les étoiles, elles existent - et elles aident les scientifiques à sonder l'histoire de l'univers.

Par Ken Croswell  | Publication: jeudi 12 décembre 2019

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Dans les gaz de la nébuleuse du crabe, les astronomes ont découvert de l'argonium lors de la première détection d'une molécule de gaz noble d'origine naturelle. Située dans la constellation du Taureau, la nébuleuse du crabe (représentée dans une image composite de deux télescopes) est les débris d'une explosion massive d'étoiles qui a éclairé le ciel au-dessus de la Terre en 1054.

ESA / Herschel / PACS / Mess Key Program Supernova Remnant Team; NASA, ESA et Allison Loll / Jeff Hester / Arizona State University

Les molécules contenant des gaz nobles ne devraient pas exister. Par définition, ces éléments chimiques - hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon - sont les fêtards du tableau périodique, se blottissant dans la colonne de droite et refusant de fabriquer des molécules. En effet, personne n'a jamais vu de molécules de gaz noble d'origine naturelle sur Terre. Au début de cette décennie, cependant, les astronomes ont accidentellement découvert l'un de ces éléments distants dans des molécules de l'espace.

Puis, en 2019, des observateurs ont rapporté avoir trouvé un deuxième type de molécule de gaz noble, celle qu'ils avaient recherchée pendant plus de trois décennies et d'un type qui était le premier à se former après la naissance de l'univers dans le big bang. Cette molécule nouvellement découverte donne un aperçu de la chimie du premier univers, avant que des étoiles ne commencent à briller ou que des galaxies ne se forment. La découverte pourrait même aider les astronomes à comprendre comment les premières étoiles sont apparues.

La plupart des éléments chimiques partagent facilement des électrons avec d'autres éléments pour fabriquer des molécules, mais les gaz nobles ne le font normalement pas. «Les gaz nobles sont en quelque sorte heureux comme ils le sont», explique Peter Schilke, astrophysicien à l'Université de Cologne en Allemagne. C'est parce que la coque externe d'un atome de gaz noble a déjà son plein d'électrons, de sorte qu'elle n'échangera généralement pas d'électrons pour se lier à d'autres atomes et former des molécules - du moins pas ici sur Terre.

Rétrospectivement, l'espace semble l'endroit idéal pour rechercher des molécules de gaz noble, car ces gaz abondent dans le cosmos. L'hélium est le deuxième élément le plus courant dans l'univers, après l'hydrogène, et le néon se classe cinquième ou sixième. Et dans l'espace interstellaire, où les températures et les densités extrêmes sont la règle, les gaz nobles font des choses qu'ils ne feraient jamais sur Terre. Cela comprend la formation de molécules.

En plus de fournir un aperçu de l'enfance de l'univers, ces molécules exotiques renseignent les scientifiques sur les conditions actuelles dans l'espace entre les étoiles - les gaz qui composent le milieu interstellaire - qui sont d'un intérêt intense pour les astronomes. «Le milieu interstellaire est le lieu de naissance des étoiles et des systèmes planétaires», explique Maryvonne Gerin, astrophysicienne à l'Observatoire de Paris et co-auteur d'un 2016Article de la Revue annuelle d'astronomie et d'astrophysique sur les molécules interstellaires .
 

Pendant des décennies, les astronomes ont recherché une molécule de gaz noble en particulier: l'hydrure d'hélium, ou HeH +, composé des deux éléments les plus courants dans l'univers et donc un bon pari pour exister dans l'espace. Bien que l'hydrure d'hélium d'origine naturelle n'ait jamais été trouvé sur Terre, les scientifiques ont réussi à forcer les deux atomes ensemble en laboratoire il y a près d'un siècle.

Il semblait donc que ce combo serait également la carrière la plus probable pour les astronomes. Au lieu de cela, ils ont été pris au dépourvu par une molécule encore plus étrange.

Un embarras interstellaire

L'argon est plus de 20 fois plus commun dans l'atmosphère terrestre que le dioxyde de carbone, mais il est beaucoup moins pressé. En fait, c'est le troisième gaz le plus abondant dans l'air que vous respirez. L'azote et l'oxygène représentent respectivement 78% et 21% de l'atmosphère terrestre, tandis que l'argon représente la majeure partie du 1% restant.

Mais personne ne cherchait une molécule interstellaire contenant de l'argon. «C'était fondamentalement une découverte fortuite», explique l'astrophysicien de l'University College de Londres Mike Barlow, qui a dirigé l'équipe qui a accidentellement trouvé ArH +: l'argonium, qui se compose d'argon et d'hydrogène.

Les gaz nobles (colonne la plus à droite, rouge) sont connus pour être chimiquement non réactifs et ne se lient pas naturellement avec d'autres atomes pour former des molécules sur Terre. Mais c'est une autre histoire dans l'espace. Au cours de la dernière décennie, les astronomes ont découvert deux exemples de composés chimiques composés d'hélium et d'argon, des gaz nobles dans l'espace.

Un autre élément de gaz noble a contribué à rendre la découverte possible. En 2009, l'observatoire spatial Herschel a décollé pour l'espace et a littéralement gardé son calme pendant la mission en transportant un réservoir d'hélium liquide glacial qui a duré quatre ans. Cela a permis à Herschel d'observer des longueurs d'onde infrarouges lointains à partir d'objets éloignés sans l'interférence que sa propre chaleur aurait produite. Parce que de nombreuses molécules absorbent et émettent de la lumière infrarouge lointain, cette gamme spectrale est un bon endroit pour rechercher de nouvelles molécules spatiales.

Moins d'un an après le lancement de Herschel, les astronomes ont commencé à remarquer que quelque chose dans l'espace interstellaire absorbait la lumière infrarouge lointaine à une longueur d'onde de 485 microns, une ligne spectrale qui n'avait pas été observée auparavant. «Personne ne pouvait comprendre de quoi il s'agissait», explique David Neufeld, astrophysicien à l'Université Johns Hopkins et co-auteur de l' article de la Revue annuelle 2016 (et une connaissance de l'auteur de cette histoire à l'université).

Schilke a consulté des collègues de son groupe à Cologne et ailleurs. «Nous nous sommes assis dans le bureau du tableau blanc», dit-il, «et nous y avons mis toutes les molécules possibles, y compris l'argonium.» Aucune molécule connue ne correspondait à la longueur d'onde observée de 485 microns.

Pendant ce temps, l'équipe de Barlow utilisait les données de Herschel pour étudier la nébuleuse du crabe, les restes d'une étoile massive que nos ancêtres ont vu exploser en 1054. Les feux d'artifice célestes ont forgé de l'argon et d'autres «métaux», que les astronomes définissent comme tous les éléments plus lourds que l'hélium.

Une autre vue de la nébuleuse du crabe, les restes d'une explosion de supernova observée par des observateurs du ciel au Japon et en Chine il y a mille ans. Les filaments oranges révèlent l'hydrogène qui constituait jadis l'étoile; la lueur bleue est produite par l'étoile à neutrons au centre de la nébuleuse. L'étude de la lumière de l'objet a révélé la présence d'argonium.

NASA / ESA / J. Hester (Arizona State University)

Dans le gaz riche en argon de la nébuleuse, Barlow et ses collègues ont repéré deux raies spectrales non identifiées. L'une était la même ligne mystérieuse que tout le monde avait vue à 485 microns; l'autre avait exactement la moitié de la longueur d'onde - la marque d'une molécule contenant deux atomes. Barlow l'a identifié comme étant de l'argonium, publiant la découverte en 2013. Il s'agissait de la première molécule de gaz noble jamais trouvée dans la nature . (Barlow note qu'à la dernière minute, les éditeurs de son article scientifique ont changé «molécule» dans le titre en «ion moléculaire».)

La découverte a été un choc. «Nous avons été stupéfaits quand nous avons entendu cela», explique Neufeld. Après tout, les astronomes avaient vu la même ligne spectrale de 485 microns ailleurs. «Quand j'ai entendu parler de la détection pour la première fois», dit Schilke, «j'étais extrêmement gêné de ne pas l'avoir repéré nous-mêmes.»

Les scientifiques ont été victimes d'un mélange terre-à-terre. Ils pensaient connaître les longueurs d'onde produites par l'argonium, car les scientifiques l'avaient créé au laboratoire des décennies plus tôt et avaient mesuré son spectre. Mais ces molécules de laboratoire contenaient de l'argon-40, qui est de loin l'isotope d'argon le plus courant - sur Terre. Mais c'est uniquement parce que l'argon que nous respirons provient de la désintégration radioactive du potassium-40 dans les roches.

L'univers est différent. «Dans le milieu interstellaire», explique Schilke, «l'argon-36 est de loin le plus abondant, et nous étions tout simplement trop stupides pour le réaliser.» L'argonium fabriqué avec de l'argon-36 absorbe et émet de la lumière à des longueurs d'onde légèrement différentes de ce qu'il fait avec argon-40, expliquant pourquoi les scientifiques avaient raté l'identification.

Néanmoins, une fois qu'ils ont reconnu l'existence d'argonium interstellaire, Schilke, Neufeld, Gerin et leurs collègues ont cherché à expliquer sa formation. «C'est une molécule qui n'aime pas les molécules», explique Schilke, tout comme l'argon est un atome qui n'aime pas les atomes. Cette caractéristique particulière s'avère utile.

Sur Terre car il n'est pas dans les cieux: L'argon dans l'air de la Terre est presque entièrement composé de l'isotope argon-40, mais dans l'espace (mesuré à partir du vent solaire), un isotope différent, l'argon-36, domine. Une confusion entre les deux isotopes a retardé la découverte d'argonium interstellaire.

Les origines cosmiques de l'argonium

Sur la base de calculs standard de la façon dont les réactions chimiques se déroulent dans l'espace, les scientifiques savent que la formation de la molécule d'argonium interstellaire nécessite deux étapes. Tout d'abord, un rayon cosmique - une particule chargée à grande vitesse - dépouille un électron d'un atome d'argon interstellaire, créant Ar +. Ensuite, cet ion argon peut voler un atome d'hydrogène d'une molécule d'hydrogène (H2) pour créer de l'argonium, ArH +, car l'atome d'hydrogène est plus attiré par l'ion argon que par son partenaire hydrogène.

Mais l'argonium est fragile et les mêmes molécules d'hydrogène dont il a besoin pour sa formation peuvent également le détruire. La molécule de gaz noble ne peut donc exister que là où il y a juste assez d'hydrogène moléculaire pour créer de l'argonium mais pas au point de le déchirer. Cette exigence stricte s'avère utile pour identifier les nuages ​​interstellaires qui ne sont pas susceptibles de générer de nouvelles étoiles et planètes.

Le gaz interstellaire dans notre partie de la Voie lactée se présente sous deux types principaux: atomique et moléculaire. Le premier type, plus courant, consiste principalement en atomes individuels d'hydrogène et d'hélium. Parce que le gaz atomique est diffus, il fait rarement de nouvelles étoiles. Au lieu de cela, la plupart des étoiles se posent dans un gaz plus dense où les atomes se rassemblent pour créer des molécules.

Il peut être difficile de distinguer les nuages ​​interstellaires constitués principalement de gaz atomique de ceux qui sont principalement constitués de gaz moléculaire, et c'est là que l'argonium entre en jeu. «C'est un traceur de gaz presque purement atomique», explique Schilke. En fait, bien que l'argonium soit une molécule, il n'existe que dans un gaz atomique de 99,9 à 99,99% .

Parce que les rayons cosmiques conduisent à la création d'argonium, son abondance dans l'espace interstellaire a également aidé à déterminer le nombre de rayons cosmiques qui traversent la galaxie. «Il y a plus de rayons cosmiques que nous ne le pensions auparavant», dit Gerin. C'est important non seulement pour le futur capitaine Kirks qui souhaite minimiser son exposition au rayonnement destructeur lors de ses déplacements entre les systèmes stellaires, mais aussi pour les scientifiques qui étudient la chimie du milieu interstellaire, car les rayons cosmiques sont la première étape de la création d'autres molécules comme bien.

La première molécule de l'univers

Même après la découverte de l'argonium interstellaire, les astronomes ont poursuivi leur quête de la molécule de gaz noble la plus simple, l'hydrure d'hélium, celle que les théoriciens avaient prédit il y a des décennies. «Il s'agit de la première liaison chimique qui s'est formée dans l'univers», explique l'astrophysicien Stephen Lepp de l'Université du Nevada à Las Vegas.

La molécule est née parce que l'hydrogène et l'hélium étaient les deux principaux éléments à émerger du big bang. Au début, l'univers était si chaud que tous les électrons que chaque élément a réussi à capturer seraient immédiatement éliminés par le rayonnement de haute énergie généré par la chaleur extrême. Mais à mesure que l'espace s'est agrandi, il s'est refroidi et environ 100 000 ans après le big bang, chaque noyau d'hélium a saisi deux électrons et est devenu neutre. Mettez H + et He ensemble et vous obtenez la première molécule de l'univers, HeH +.

L'hydrure d'hélium et l'argonium sont les deux molécules de gaz noble que les astronomes ont trouvées dans l'espace.

À ce jour, personne n'a jamais détecté d'hydrure d'hélium dans le premier univers; cela nécessiterait l'exploit sans précédent de parcourir plus de 13 milliards d'années-lumière d'espace à l'aube du temps et de discerner la ligne spectrale faible que la molécule produit. En avril 2019, cependant, des astronomes dirigés par Rolf Güsten de l'Institut Max Planck de radioastronomie en Allemagne ont rapporté avoir trouvé la molécule recherchée ici, dans la Voie lactée .

L'équipe de Güsten a fait la découverte non pas avec un vaisseau spatial mais avec un avion spécialisé qui vole au-dessus de presque toute la vapeur d'eau de l'atmosphère, qui bloque le rayonnement infrarouge. L'Observatoire stratosphérique d'astronomie infrarouge a recherché la molécule convoitée à l'aide d'un télescope doté d'un nouveau spectromètre haute résolution sensible. Cet instrument a réussi à détecter la signature infrarouge lointain de HeH + à une longueur d'onde de 149 micromètres.

Güsten et ses collègues ont réussi en fouillant la même nébuleuse où leurs prédécesseurs avaient échoué: NGC 7027 dans la constellation du Cygne. Il y a environ 600 ans, une étoile vieillissante connue sous le nom de géante rouge a jeté son atmosphère - quelque chose que notre propre soleil fera dans environ 7,8 milliards d'années. Cela a exposé le noyau chaud de l'étoile mourante, qui brille à 190 000 kelvins boursouflés (340 000 degrés Fahrenheit) et émet une lumière ultraviolette extrême qui déchire les électrons des atomes d'hélium, créant He +. Combinez cela avec des atomes d'hydrogène neutres d'autres parties de la nébuleuse et vous avez HeH +. Dans le premier univers, c'était l'inverse - l'hydrogène chargé et l'hélium neutre - mais le résultat final était le même: HeH +, la première molécule à se former après le big bang.

Depuis des décennies, les astronomes recherchent la molécule de gaz noble la plus légère, l'hydrure d'hélium, dans la nébuleuse planétaire NGC 7027, montrée sur cette image composite. En 2019, ils ont finalement annoncé un succès en détectant la molécule. L'hydrure d'hélium serait le premier type de molécule à se former après la naissance de l'univers.

William B. Latter (SIRTF Science Center / Caltech) et NASA / ESA

«C'est la fin d'une longue saga», explique Paul Goldsmith, astronome du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, qui n'a pas participé à la découverte. La détection prouve que les calculs prédisant l'existence de la molécule exotique étaient corrects, donnant foi aux attentes selon lesquelles la molécule a bel et bien pris forme peu de temps après la naissance de l'univers.

Il pourrait également y avoir d'autres molécules de gaz noble. Dans l'espace, les atomes de néon sont beaucoup plus nombreux que l'argon, de sorte que le néonium, ou NeH +, pourrait exister. Si tel est le cas, son abondance et les endroits où elle existe éclaireront davantage les conditions dans le milieu interstellaire. D'un autre côté, le krypton est si rare que le kryptonium représente probablement peu de menace pour tout Superman interstellaire, et le xénon est encore plus rare.

Mais c'est un vaste univers avec des températures et des densités qui varient énormément d'un endroit à l'autre et diffèrent considérablement de celles de la Terre. Quelque part, au coin d'un nuage interstellaire éloigné, les atomes les plus improbables se sont peut-être réunis pour créer des molécules encore plus bizarres qu'on n'en a encore trouvées, n'attendant qu'un observateur intrépide pour détecter leur signature spectrale dans les profondeurs de l'espace.

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Ken Croswell est astronome et auteur. Dans les années 1980, lui et Alex Dalgarno ont prédit que le milieu interstellaire devrait contenir la molécule OD , que les astronomes ont découverte trois décennies plus tard .
 

Cet article est initialement paru dans Knowable Magazine , une entreprise journalistique indépendante des revues annuelles. Inscrivez-vous à la newsletter .

Source: http://www.astronomy.com/ 
Lien: http://www.astronomy.com/news/2019/12/impossible-molecules-in-space?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR103uA2TJ_dsgQCxJvz2KKq7q-CO25qdJMkyWR_cW124w3_FbmjmuHX0n4