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10 März 2019 | La Revue POLYTECHNIQUE
Les molécules interstellaires
Les premières observations de molécules dans le milieu interstellaire remontent à 1941. Les molécules CH, CH+ et CN ont été détectées dans un nuage diffus, grâce à leurs raies observées en absorption dans le domaine visible du spectre de l’étoile Dzeta Ophiuchii. Mais c’est le développement de la radioastronomie, à partir des années 1970, qui a permis de découvrir la plupart des molécules interstellaires.
L’avènement de la radioastronomie en ondes centimétriques et décimétriques, outre la découverte de l’hydrogène atomique, a permis la découverte du radical hydroxyle OH (en 1963) et des premières molécules polyatomiques: l’ammoniac NH3(en 1968), l’eau H2O et le formaldéhyde H2CO (en 1969).
C’est le développement de la radioastronomie dans le domaine des ondes millimétriques et submillimétriques, à partir des années 1970, qui a permis de découvrir la plupart des molécules interstellaires. La première molécule découverte dans ce domaine de longueur d’onde est la molécule de monoxyde de carbone CO. C’est la plus abondante, après H2. Elle sert de traceur du gaz moléculaire dans la Voie lactée ainsi que dans les autres galaxies.

Les processus chimiques enrichissent les nuages de gaz interstellaire en molécules organiques complexes et en poussières. C’est au sein de ces nuages que se forment les nouvelles étoiles.
Deux cents molécules ont été identifiées
À ce jour, 200 molécules ont été identifiées dans le milieu interstellaire. On peut en consulter la liste sur les sites suivants: http://aramis.obspm.fr/mol/index.html et http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html
On y trouve des molécules simples bien connues, comme le chlorure de sodium NaCl. De nombreuses molécules organiques ont été détectées; parmi les plus courantes, on peut citer le méthane CH4, l’alcool éthylique C2H5OH, l’acide acétique CH3COOH, l’acétone CH3COCH3et même un sucre: le dihydroxyacétone (CH2OH)2CO.
Les plus complexes
Une des molécules les plus complexes découvertes jusqu’ici est une longue chaîne carbonée composée de treize atomes: le cyanodécapentayne HC11N. Elle fait partie de la famille des cyanopolyines, dont les éléments plus simples tels que HC3N, HC5N, HC7N et HC9N ont également été détectées. Des fullerènes comme C60ou C70ont aussi été observés.
Il est remarquable que des molécules puissent se former dans l’ultravide des nuages interstellaires, où règnent des conditions physiques extrêmes, et surtout des molécules organiques, aussi complexes. L’acide aminé le plus simple, la glycine NH2CH2COOH, est une molécule moins complexe que d’autres plus complexes détectées à ce jour. Néanmoins, toutes les tentatives de détection de la glycine dans le milieu interstellaire ont échoué jusqu’ici.
Les ions aussi présents
Une autre caractéristique de la composition chimique du milieu interstellaire est la présence de cations, et en particulier, de cations moléculaires, tels que CH+, SO+, H3+, HCO+, HCS+, N2H+, H3O+, HOCO+, H2COH+, HCNH+, HC3NH+. Car les cations jouent un rôle fondamental dans la chimie interstellaire. Les anions sont aussi présents dans le milieu interstellaire, mais en nombre beaucoup plus restreint.
Une chimie active et très élaborée
Le nombre, la diversité, la complexité – en particulier des composés organiques – des molécules détectées dans les nuages interstellaires sont la preuve d’une chimie active et très élaborée. Pourtant, aux faibles densités et températures qui règnent dans ce milieu, les collisions entre particules sont extrêmement rares. Elles se produisent néanmoins et peuvent engendrer des collisions réactives, c’est-à-dire des réactions chimiques conduisant à la transformation d’espèces chimiques. On peut citer en exemple la réaction suivante:
C+ + H2O àHCO+ + H
Différentes catégories de réactions chimiques peuvent conduire à la formation de molécules interstellaires. L’un des processus chimiques les plus efficaces, parce que libérant spontanément une grande quantité d’énergie, est la recombinaison, sur un électron, d’un ion moléculaire qui se casse en plusieurs morceaux. On nomme ce type de réaction, une recombinaison dissociative.
Le rôle de la molécule H2
L’enchaînement de réactions chimiques en phase gazeuse peut conduire à la formation des molécules interstellaires, même les plus complexes. Cette production de molécules requiert cependant la présence de la molécule H2, nécessaire au démarrage de toute cette chimie interstellaire active et complexe. La formation de H2interstellaire se produit à la surface des grains de poussières.
Les atomes d’hydrogène qui se déplacent dans le milieu interstellaire, du fait de l’agitation thermique, entrent en collision avec un grain de poussière et se collent à sa surface; c’est le phénomène d’adsorption. Ils sont animés d’une grande mobilité sur cette surface, se déplaçant très rapidement d’un site à un autre. Il arrive que deux atomes d’hydrogène, présents au même moment sur un même site, se recombinent pour former une molécule, le grain de poussière servant en quelque sorte de catalyseur. La molécule formée peut alors être réinjectée dans l’espace environnant; c’est le processus de désorption. Cet hydrogène moléculaire initie la chimie interstellaire en phase gazeuse et la formation de molécules de plus en plus complexes.
Des processus physiques et chimiques extrêmement variés
Outre la grande diversité de ses composantes (poussières, gaz, rayonnements électromagnétiques et cosmiques, champs magnétiques), les autres caractéristiques fondamentales du milieu interstellaire sont l’extrême variété et complexité des structures qu’on y rencontre (nuages de gaz, globules, filaments, nébuleuses diffuses, ondes de choc), ainsi que des processus physiques et chimiques qui s’y déroulent.
Les processus chimiques enrichissent les nuages de gaz interstellaire en molécules organiques complexes et en poussières. C’est au sein de ces nuages, par contraction gravitationnelle et fragmentation du nuage, que se forment les nouvelles étoiles. La chimie interstellaire contribue ainsi à l’enrichissement en composés complexes de la matière qui formera les futures planètes.
Parmi les étoiles nouvellement formées, les plus massives d’entre elles exploseront en supernovæ, réinjectant dans le milieu interstellaire environnant de nouveaux éléments lourds, qui entreront à leur tour en jeu dans la chimie interstellaire... et le cycle recommence.
Ainsi, le milieu interstellaire participe au recyclage de la matière cosmique et à sa complexification. Il joue un rôle déterminant dans l’évolution des galaxies et de leurs composantes.
Source: L’Observatoire de Paris UFE