L'oxygène: la couleur de la vie

Le huitième élément de la nature nous permet de vivre, de respirer et de penser, mais il colore également le cosmos avec sa teinte verdâtre distinctive.

Par Bob Berman  | Publication: jeudi 29 août 2019

La plupart des gens qui regardent la nébuleuse d'Orion (M42) à travers de grands télescopes amateurs voient une teinte verdâtre de l'oxygène incandescent, capturée ici à travers un filtre qui passe cette couleur. Les images M42 typiques révèlent le rouge émis par l'hydrogène.

ESO

Lorsque nous observons des objets dans l'espace lointain à travers des télescopes d'arrière-cour, nous ne voyons généralement pas beaucoup de couleurs. La grande exception est le vert vif dans certaines nébuleuses. Le secret de cette couleur constitue une histoire majeure. C'est un conte qui se connecte à nos vies et à nos esprits, et ouvre des portails à un nouveau niveau d'exploration céleste.

Revenez à la classe de sciences de sixième année de Mme Wombat. Là, nous avons appris que l'univers contient 92 éléments naturels. Tous se trouvent également ici sur Terre. Cela n'a aucun sens de prétendre qu'ils sont tout aussi intéressants. Par exemple, chaque respiration que vous prenez est un mélange gazeux de 99,9% d'azote, d'oxygène et d'argon. L'argon est inerte et flotte juste là. Nous ne l'utilisons pas pour grand-chose à part le remplissage des ampoules. Cela ne nous aide pas et 
ne nous fait pas de mal.

L'air contient également un peu de vapeur d'eau (H2O), qui représente les deux tiers de l'hydrogène. C'est l'élément le plus commun de l'univers, a insisté Mme Wombat, et qui étions-nous pour douter d'elle? L'hydrogène constitue la majeure partie de notre cerveau. C'est le carburant principal du Soleil. C'est évidemment crucial pour notre existence.

Mais maintenant, en termes d'abondance cosmique, considérons l'élément numéro deux: l'hélium. Cela nous ramène à la catégorie non vitale. Nos corps contiennent exactement zéro hélium. Si tout l'hélium de la Terre disparaissait soudainement, la plupart d'entre nous ne s'en rendraient pas compte ou ne s'en soucieraient pas.

Mais donnez de l'hélium: à l'intérieur des étoiles, il subit une fusion pour créer le troisième élément le plus abondant de l'univers, l'oxygène. Nous avons ainsi atteint le héros du conte d'aventure d'aujourd'hui. Nos vies dépendent de façon critique de l'oxygène. Il se combine si ardemment avec d'autres éléments que lorsque nous regardons autour de nous, sur Terre ou à travers nos télescopes, nous le voyons presque partout. Bien que l'eau puisse représenter les deux tiers de l'hydrogène en termes de composition atomique, elle représente près de 90% d'oxygène en poids. De la même façon, les anneaux de Saturne sont principalement de l'oxygène. Les nuages ​​aussi. Et du lait au chocolat. Chatons.

Cette image à peu près vraie couleur de la nébuleuse planétaire Haltère (M27) montre l'oxygène rougeoyant comme vert et l'hydrogène comme rouge. 

ESO

Parce que la plupart des autres éléments fusionnent facilement avec elle et l'absorbent comme une éponge, aucun corps céleste n'a d'oxygène libre significatif. L'atmosphère de la Terre est le seul endroit de l'univers connu qui en contient beaucoup.

Notre couverture d'air contient 21% d'oxygène pour une seule raison: les plantes. Ils absorbent l'oxygène sous l'une de ses formes combinées (dioxyde de carbone), utilisent le carbone pour créer leurs corps rigides et croquants, puis libèrent de l'oxygène moléculaire en tant que déchet. Il y a tellement de plantes, d'arbres et de varech, notre air est rempli d'oxygène.

Personne ne le savait au début de la Renaissance. En fait, personne ne savait que l'air est un mélange de gaz. Mais la chasse au savoir était lancée. Les scientifiques ont découvert les deux principaux composants de l'air presque simultanément. Le médecin écossais Daniel Rutherford a identifié l'azote en 1772; deux ans plus tard, le théologien britannique Joseph Priestly a isolé l'oxygène. La distinction principale des éléments était immédiatement évidente. Un a soutenu la vie et la combustion; l'autre non.

Le grand joueur non oxygéné acquit bientôt une réputation macabre. Rutherford l'a appelé «l'air nocif». Les souris placées dedans sont rapidement mortes. Quant à l'oxygène, c'était le précieux élément vital que tout le monde essayait alors de détecter. Parce que l'oxygène se lie si facilement à la plupart des autres éléments, il représente les deux tiers du corps animal en poids. Et près de la moitié de la Lune. Quand les loups hurlent à la pleine lune, c'est essentiellement de l'oxygène qui appelle l'oxygène.

Les plantes et les arbres pompent de l'oxygène dans l'atmosphère, permettant aux humains de respirer - et aux aurores de briller. 

Elenathewise / iStock / Thinkstock

Trop de bonne chose

Au début, l'univers n'avait pas d'oxygène du tout. Le Big Bang a créé de l'hydrogène, de l'hélium et un peu de lithium au cas où les premières étoiles souffriraient de dépression. Mais pas de O. Il est apparu oh-so progressivement commençant peut-être 100 millions d'années après le Big Bang - une infiltration pathétique, vraiment, qui s'est infiltrée après avoir été forgée dans les intérieurs invisibles des étoiles. Certains de ces premiers soleils bleus se sont retournés à l'envers en faisant exploser violemment et en dispersant leur oxygène nouvellement fabriqué à travers les ruelles sans plancher de l'espace.

L'astrophysicien britannique Arthur Eddington a découvert pour la première fois comment le Soleil et d'autres étoiles brillent en 1920. Il a correctement soutenu que l'énergie provenait de la fusion de quatre atomes d'hydrogène en un nouvel atome d'hélium. À mesure que les étoiles évoluent vers la vieillesse, elles fusionnent de plus en plus d'hélium pour produire du carbone, puis de l'oxygène. Au moment où une étoile comme le Soleil atteint la fin de sa vie et s'effondre en une naine blanche, c'est une boule solide d'oxygène et de carbone et rien d'autre.

Avant que cet écrasement ne se déroule, une étoile typique avec jusqu'à environ 8 masses solaires jette du matériel sous forme de bulle de gaz en expansion. C'est là que nous en tant qu'observateurs entrons en scène. Chaque fois que nous regardons une nébuleuse planétaire, nous voyons une étoile centrale de vieillesse entourée d'un beignet brillant contenant d'innombrables milliards de tonnes d'oxygène. Certains d'entre eux - ainsi que du matériel provenant de l'explosion de supernova dans des étoiles encore plus massives - aident finalement à former de nouvelles étoiles et planètes.

Comme le nôtre. Bien que, fait intéressant, nous n'avions pas d'atmosphère oxygénée il y a seulement 2,4 milliards d'années. Ensuite, les choses ont commencé à devenir incontrôlables. Il y a à peine 300 millions d'années, la Terre était tellement recouverte de plantes que notre air s'est suroxygéné. Il a atteint une concentration de 35%. Cela a laissé l'évolution créer une ère cauchemardesque d'insectes hypergéants. Certaines mouches à l'époque avaient des envergures qui pourraient rivaliser avec les aigles d'aujourd'hui. Essayez de les tapoter. Parfois, trop d'oxygène n'est pas une bonne idée.

La lanterne verte

Nous sommes des observateurs, cependant, le vrai truc est de savoir comment l'oxygène nous amène à de jolies couleurs. (En fait, bien qu'il s'agisse d'un gaz incolore, l'oxygène se liquéfie en un fluide bleu attrayant.) Sous sa forme gazeuse, l'oxygène ne brille généralement pas. Pas quand c'est cool. En effet, un atome ne peut émettre de lumière que lorsqu'un électron en orbite se rapproche du noyau. Les atomes tranquilles ordinaires, comme ceux des gaz que vous respirez, ne sont pas excités, donc leurs électrons ne changent pas d'orbite et ne brillent pas.

Le vert domine souvent l'éclat d'une aurore. La lumière provient de l'oxygène atomique dans la fine atmosphère supérieure de la Terre, à environ 60 miles (100 kilomètres) au-dessus de la surface. 

Hinrich Bäsemann

Regardez maintenant dans le ciel nocturne. Notre première expérience fonctionne mieux si vous déménagez en Alaska, au Canada, en Islande ou en Europe du Nord. C'est là que vous pouvez voir le gaz rougeoyant le plus proche - les célèbres aurores boréales ou aurores boréales. Bien qu'ils soient au cœur de notre histoire, les mystères de l'aurore ont poussé les physiciens bonkers au cours du 19e siècle et jusque dans le 20e. De quoi s'agit-il exactement et comment émet-il sa couleur verte distinctive? Les spectroscopes, qui séparent la lumière d'un objet en ses couleurs composantes, ont révélé que la plupart des lumières aurorales avaient une longueur d'onde précise de 557,7 nanomètres. Mais, étrangement, comparer cela à divers gaz incandescents dans le laboratoire n'a donné aucune réponse. Rien ne correspondait.

Les physiciens étaient en ébullition. Chaque explication s'est avérée incorrecte. Au début du XXe siècle, l'astronome allemand Julius Scheiner a conclu que «le spectre auroral est absolument identique au spectre cathodique de l'azote». Bip, faux! Le météorologiste anglais Marshall Watts était tout aussi ferme dans une opinion antithétique: "Il ne fait maintenant aucun doute que la [lueur de] l'aurore doit être attribuée au krypton." Bip! Les idées fausses coulaient à flots. Quelques années plus tard, l'expert allemand de la spectroscopie Heinrich Kayser leva les mains avec exaspération: "Nous ne savons rien du tout de l'origine chimique des raies de la lumière polaire."

Pourtant, tout le monde avait une opinion. Le chercheur allemand Alfred Wegener, bientôt célèbre pour sa théorie de la dérive des continents, a publié un ouvrage majeur sur l'atmosphère dans lequel il a suggéré que la lueur aurorale provenait d'un nouveau gaz de «géocoronium». Cette notion d'un élément non découvert produisant un feu vert n'était pas nouvelle. Pendant près d'un siècle, les scientifiques ont largement attribué la lueur verte étrange des nébuleuses - qui brillent à une longueur d'onde émeraude de 500,7 nm - à une substance appelée «nébulium». Le cosmos semblait inondé d'éléments introuvables sur Terre.

Des décennies se sont écoulées. Lars Vegard, un expert norvégien de la physique des aurores, était sûr d'avoir résolu le casse-tête vert en 1924. Comme il l'a écrit dans Nature, «le spectre auroral typique est émis à partir de [particules de poussière solides] d'azote».

Ils avaient tous tort. Il s'est avéré que l'élément nébulium n'existe pas, pas plus que le géocoronium. Pendant tout ce temps, la source du feu vert était de l'oxygène ordinaire.

Dans les deux endroits - espace profond et haut dans notre atmosphère - le mystère est né des conditions de quasi-vide. Vous voyez, comme Mme Wombat le faisait remarquer, les électrons de l'oxygène ont certaines orbites autorisées autour du noyau. Mais lorsqu'ils sont excités par les électrons solaires ou le rayonnement ultraviolet à haute énergie d'une étoile, les électrons sautent vers des positions énergétiques mais instables où ils ne peuvent pas rester. Près de la surface de la Terre où l'air est épais, ces atomes excités frappent les autres si rapidement qu'ils dissipent leur énergie supplémentaire avant de pouvoir la diffuser sous forme de lumière.

Mais dans la haute atmosphère raréfiée et aussi dans le vide poussé de l'espace profond, les électrons de l'oxygène peuvent s'attarder dans un état «métastable» avant de tomber sur une orbite inférieure et d'émettre des photons. Ils dégagent ainsi des couleurs jamais produites dans des conditions plus terrestres. Ce «rayonnement interdit», comme on l'appelait, se présente dans une nuance précise de jaune-vert à 557,7 nm dans les aurores boréales et de bleu-vert à 500,7 nm pour les nébuleuses planétaires. (Cette dernière émission provient de l'oxygène doublement ionisé, qui a perdu deux de son complément normal d'électrons.) Oxygène. Rien d'exotique, après tout ce mal. Le mystère est enfin résolu.

Bien que la lueur verte de l'oxygène domine cette aurore, elle affiche également des teintes violettes des molécules d'azote. 

Justinreznick / iStock / Thinkstock

Oh dis, tu le vois?

Heureusement, ces émissions d'oxygène se produisent là où l'œil humain est le plus sensible. Pourtant, en 2014, lors de ma tournée annuelle des aurores boréales en Alaska, que je conduis depuis des décennies, certains des 44 invités ont déclaré n'avoir vu aucune couleur. Pour eux, l'aurore est apparue blanc pâle. J'ai été surpris car à mes yeux, le vert était si intense qu'il ressemblait à un feu de circulation. J'ai donc pris un vote. Résultat: la moitié du groupe a vu la couleur comme un vert riche; un quart le percevait comme vert pâle; et un quart ne voyait aucune couleur. Il est ainsi apparu une fois de plus que les yeux humains varient dans leur capacité à voir la couleur à de faibles niveaux de lumière.

Cette individualité se transmet aux observations télescopiques. La plupart des gens qui regardent la nébuleuse d'Orion (M42) à travers de grands instruments de jardin - 10 pouces d'ouverture et plus - perçoivent une couleur verte distincte. Mais tout le monde ne le fait pas. Les nébuleuses les plus fiables qui affichent une couleur verte riche sont probablement des planètes compactes telles que la nébuleuse de l'œil de chat (NGC 6543) à Draco et la nébuleuse de la petite gemme (NGC 6818) en Sagittaire. J'avais l'habitude de déplorer que puisque la plupart des amateurs ne possèdent pas de spectroscopes, ils ne peuvent pas examiner et apprécier pleinement ces teintes. Récemment, cependant, j'ai réalisé que lorsqu'un corps céleste émet la plupart de sa lumière dans une partie étroite du spectre - comme le font les planétaires avec leur oxygène brillant à 500,7 nm - vous n'avez vraiment pas besoin d'un spectroscope. Votre œil perçoit des couleurs précises à travers l'oculaire.

Un spectroscope est très utile pour observer des mélanges de couleurs. En utiliser un pour regarder Betelgeuse ou Sirius est une expérience merveilleuse car non seulement toutes les émissions sont présentées côte à côte de manière dramatique, mais les différences entre les types spectraux stellaires deviennent également magnifiquement frappantes. Bételgeuse montre de nombreuses raies d'absorption, même certaines provenant de molécules, tandis que Sirius affiche une simple série de raies pointues d'hydrogène superposées à une explosion vive de vert, bleu et rouge. En revanche, une nébuleuse planétaire est une composition à une seule note avec pratiquement toute sa lumière provenant de cette seule ligne verte d'oxygène.

Un motif en spirale intrigant s'est développé dans cette aurore au-dessus du musée Lofotr Viking sur l'île norvégienne de Vestvågøya. 

Allen Hwang

Avec la nébuleuse d'Orion, l'oxygène brillant domine la vue visuelle de l'oculaire en conférant une couleur de jade évidente. À travers un spectroscope, cependant, d'autres émissions apparaissent parce que l'hydrogène rougeoyant et la lumière stellaire dispersée remplissent également le pot de ragoût. Pour terminer le quart de travail, prenez une photo. Maintenant, une chose surprenante se produit - le vert disparaît. Il a disparu parce qu'il est «grillé» et surexposé en blanc. Soudain, la lumière cramoisie de l'hydrogène à 656,3 nm règne. Cette couleur ne s'enregistre pas à travers un oculaire visuel car à faible niveau, la vision humaine est complètement aveugle au rouge foncé.

 Conclusion: les couleurs que vous voyez - et la question de savoir si la lueur verte de l'oxygène domine la scène - dépendent de votre technique. Visuellement, l'oxygène règne. Photographiquement, ce n'est pas le cas dans les nébuleuses planétaires. Et spectroscopiquement, c'est un coup de tête sauf avec les planétaires. À travers tout cela, et quel que soit l'équipement que vous utilisez, l'observation de l'oxygène incandescent est éducative et amusante.

Les trois isotopes sages

L'oxygène fournit également les clés des énigmes célestes critiques. C'est parce qu'il se décline en trois saveurs. L'oxygène a trois isotopes stables, chacun ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons dans son noyau. Tous ont des propriétés chimiques identiques et vous pouvez en respirer avec joie. Chaque atome d'oxygène contient huit protons. La grande majorité d'entre eux possède également huit neutrons. Additionnez les protons et les neutrons dans cet atome d'oxygène le plus léger et vous obtenez 16, donc cette forme la plus courante est appelée O-16. Mais un petit pourcentage d'oxygène a un ou deux neutrons supplémentaires - O-17 et O-18, respectivement.

Les premières étoiles de l'univers ont créé du O-16 pur à 100%. Les générations ultérieures ont progressivement augmenté les proportions des isotopes les plus lourds. De nos jours, au moins ici dans le système solaire, environ 1 sur 500 atomes d'oxygène contient un neutron supplémentaire tandis qu'environ 1 sur 2000 en a deux supplémentaires. Toujours avec nous?

Les étoiles d'Orion brillent à travers les rayons lumineux de cette aurore verdâtre riche en oxygène. 

Stéphane Vermette

Les rapports des isotopes O-16, O-17 et O-18 dans chaque croustille, chiot et roche ici sur Terre suivent une relation simple. Mais si vous envoyez un atterrisseur sur Mars et échantillonnez son matériel, comme la NASA l'a fait à plusieurs reprises, vous constaterez que les roches martiennes avec le même rapport O-18 à O-16 que les spécimens terrestres auront un rapport légèrement plus élevé de O-17 à O-16. La différence dans le rapport isotopique entre nos deux planètes est de 300 parties par million, avec Mars toujours plus élevé.

Les isotopes de l'oxygène sont donc comme des empreintes digitales. Ils vous disent de quel monde vient un rocher. C'est ainsi que nous pouvons être sûrs qu'une météorite particulière est originaire de la planète rouge. Nous avons également des météorites du grand astéroïde Vesta, dont le rapport O-17 à O-16 est inférieur d'environ 300 parties par million à celui de la Terre.

Voici où les choses deviennent étranges. L'oxygène dans les roches lunaires a le même rapport isotopique que les objets terrestres. C'est comme si la Lune était la Terre! Toute différence est inférieure à 1 partie sur 50 000.

Cela pose cependant un problème. Presque tous les scientifiques planétaires pensent que la Lune est le résultat d'une collision depuis longtemps entre la Terre et un corps de la taille de Mars surnommé Theia. Les lois de la physique montrent que pour que l'hypothèse d'impact fonctionne, une grande partie de la Lune devrait être du matériau Theia et devrait donc avoir un rapport isotope-oxygène distinct et étranger. Pourtant, la Lune semble faite de choses terrestres.

Toutes les quelques années, certains chercheurs publieront un article de journal qui tente d'expliquer ce problème d'oxygène ou bien de l'utiliser pour discréditer l'hypothèse de collision. Une nouvelle analyse majeure des roches lunaires d'Apollo en 2014 a prétendu trouver une minuscule disparité entre les oxygènes de nos mondes - à peine peut-être, à peine, pour garder vivante l'idée de la naissance violente de la Lune.

Alors, respirez profondément. Méditez sur l'élément qui dynamise votre cerveau afin que vous puissiez contempler le cosmos. Et un jour, si nous apercevons la lueur aurorale distinctive de l'oxygène sur une exoplanète, le feu vert peut servir de signal «go».

Car, presque sûrement, nous aurons trouvé la signature des plantes sur un autre monde. Ce sera notre oxygène bien-aimé, guidant une fois de plus nos découvertes.

Source: https://astronomy.com/magazine/2019/08/oxygen-the-color-of-life?utm_source=asyfb&utm_medium=social&utm_campaign=asyfb&fbclid=IwAR3AQH0WQr9a_DqCy5pfNIk58dslDEOVM-DsPNlZEE7tbkqgTqqR_Gl40PM