Astrochimie dans le nuage moléculaire OrionB

Figure 1: Le nuage moléculaire géant OrionB observé dans le domaine visible (à gauche: crédit & copyright Sergi Verdugo Martínez) et dans le domaine radio-millimétrique (à droite: crédit & copyright J. Pety, the ORION-B Collaboration & IRAM)

Le milieu interstellaire est un environnement froid, seulement quelques dizaines de dégrées au dessus du zéro absolu, à ces températures la matière n’émet pas dans le domaine visible du spectre électromagnétique mais dans le domaine des ondes millimétriques. Le milieu interstellaire est composé d’un mélange de gas (99%) et de poussière (1%: plus petites qu’un micromètre). La composition chimique du gaz constituant le milieu interstellaire est une combinaison de molécules que l’on trouve sur Terre, par exemple le méthanol (CH3OH) ou le dihydrogène (H2), et de molécules beaucoup plus exotiques qui ne peuvent survivre que dans les conditions très ténues du milieu interstellaire, comme par exemple le radical éthynyle (C2H). Plus d’une centaine d’espèces différentes ont été détectées dans l’espace jusqu’à présent. Les différentes concentrations de ces espèces dépendent des conditions physiques des objets observés. Certaines comme le méthanol, se forment principalement à la surface des grains quand des atomes viennent s’y coller, elles restent piégées sur ces surfaces froides jusqu’à ce que la température augmente suffisamment pour qu’elles s’évaporent. D’autres sont présentes en particulier vers des régions où le rayonnement UV est fort, elles sont créées par la dissociation d’autres molécules et sont souvent très réactives comme C2H, on ne les observe que dans les régions où elles sont renouvelées en permanence. D’autres enfin sont détruites par réaction avec certaines molécules, par exemple la molécule de diazénylium (N2H+, une molécule de diazote à laquelle on a ajouté un proton) est détruite par les molécules de monoxyde de carbone (CO). On ne peut observer le diazénylium que dans des régions où le monoxyde de carbone est absent du gaz.

À l’aide du radiotélescope de 30 mètres de l’IRAM dans la Sierra Nevada en Espagne, les chercheurs ont obtenu les observations radio les plus complètes du nuage Orion B, qui est connu pour abriter les nébuleuses de la Tête de Cheval et de la Flamme. La composition chimique observée peut donc nous renseigner sur les conditions physiques du milieu interstellaire (température, densité, flux rayonnement UV, etc.). C’est depuis quelques années seulement qu’il est possible d’observer avec les radiotélescopes millimétriques plusieurs dizaines de molécules simultanément et d’en faire la cartographie à l’échelle d’un nuage moléculaire en entier (un nuage moléculaire à une taille typique d’un parsec, la distance qui nous sépare de l’étoile la plus proche du système solaire, Proxima Centauri). Nous avons utilisé une méthode statistique de décomposition du signal pour pouvoir faire émerger les propriétés physiques du nuage moléculaire OrionB uniquement à partir de l’observation de ses molécules et donc de sa composition chimique.

Figure 2: Décomposition en propriétés physiques de l’émission des molécules de la nébuleuse OrionB. Gratier et al. 2016, A&A 599, A100

Le résultat est illustré sur la Figure 2, où les différentes couleurs permettent de mettre en évidence les variations de deux grandeurs : la densité volumique et le rayonnement ultraviolet. La majeure partie du volume du nuage est constituée de gaz diffus et froid (en vert) à l’intérieur duquel on trouve deux grandes familles d’objets du milieu interstellaire. Premièrement, les coeurs denses et froids (leurs densité volumique augmente du bleu ciel au bleu foncé) qui sont les régions du nuage moléculaire initial qui pourront se contracter sous l’effet de la gravité pour former de nouvelles étoiles avec leur cortège de planètes. Deuxièmement, les régions de photodissociation (leurs densité volumique augmente du jaune au magenta en passant par l’orange et le rouge) se sont des régions exposées au rayonnement ultraviolet provenant d’étoiles massives et jeunes et où cet apport d’énergie par les photons ultraviolet permet une chimie riche. Dans un futur proche, en observant d’autres régions du milieu interstellaire, il sera possible, avec la même méthode, de déterminer d’autres propriétés physiques comme la température du gaz ou la présence de chocs supersoniques.

Le projet OrionB regroupe une équipe internationale d’astronomes menée par Jérôme Pety (IRAM & Observatoire de Paris).

Contact au LAB : Pierre Gratier

Pour aller plus loin : Gratier et al. 2016, A&A 599, A100