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Il y a bien des buckminsterfullerènes gazeux dans l'espace

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Le buckminsterfullerène est une molécule de carbone en forme de ballon de football. On supposait sa présence dans le milieu interstellaire, à proximité d'étoiles chaudes. Une équipe d'astronomes de l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Irap) vient de confirmer cette hypothèse, en précisant que la molécule se trouvait sous forme gazeuse et ionisée, C60+.

Harold Walter Kroto est un chimiste britannique colauréat du prix Nobel de chimie de 1996, avec Robert Curl et Richard Smalley, pour leur découverte des fullerènes. Il est célèbre pour l'un d'entre eux en particulier, le buckminsterfullerène, parfois également appelé footballène, une molécule sphérique en C60 de la famille des fullerènes C2n. Ces structures fermées sont composées de (2n-20)/2 hexagones, ainsi que de 12 pentagones. © Harold Kroto, www.kroto.info

Le milieu interstellaire (MI) contient des gaz à 99 %, principalement de l'hydrogène et de l'hélium. Le reste se compose de poussière, sous forme de grains extrêmement petits, dont la taille typique est de l'ordre de 0,1 micron. Ces grains sont essentiellement du graphite, des silicates et des carbonates. On estime que dans la Voie lactée, le MI contiendrait de 10 à 15 milliards de masses solaires. Il est présent dans toutes les galaxies spirales mais il est quasiment inexistant dans les galaxies elliptiques et lenticulaires.

Les premières molécules du MI ont été découvertes en 1941, à proximité d'étoiles, grâce à leurs raies d'absorption. Néanmoins, c'est l'essor rapide de la radioastronomie après la seconde guerre mondiale qui a révélé toute la richesse de la chimie du milieu interstellaire, grâce à des observations dans les domaines décimétriques, centimétriques et finalement, à partir de 1970, millimétriques et submillimétriques. Il y a ainsi eu les découvertes du radical hydroxyle HO (en 1963), de l'ammoniac (en 1968), de l'eau et du formaldéhyde H2CO (en 1969). 

On voit sur cette image des bandes interstellaires diffuses (en blanc). Elles sont superposées à un spectre de couleur allant du proche ultraviolet (droite) au proche infrarouge (gauche), où se concentrent la plupart des bandes. © P. Jenniskens et F. X. Desert

Toutefois, si les astrophysiciens ont dû attendre la fin de la seconde guerre mondiale pour réaliser leurs premières découvertes à l'aide des radiotélescopes, ils se doutaient, dès 1922, de la présence de quelque chose d'assez particulier dans le milieu interstellaire. Ce « quelque chose » était responsable de ce qu'on a appelé les bandes diffuses interstellaires (DIB). Il s'agit de bandes d'absorption dans le domaine visible ainsi que dans le proche infrarouge, qui ne correspondaient à l'époque à aucun spectre d'ion ou de molécule connu.

Un icosaèdre astrochimique

Il a fallu attendre les années 1980 pour que l'on commence à comprendre le phénomène. Plusieurs chercheurs ont ainsi supposé, vers 1985, que les DIB devaient provenir d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) en phase gazeuse. Des exemples de ces molécules sur Terre sont le pyrène, le pentacène ou l'ovalène et elles porteraient de 15 à 20 % du carbone interstellaire. En 1985, et parce qu'ils cherchaient à mieux comprendre le MI, Harry Kroto, Bob Curl et Rick Smalley ont réussi à synthétiser en laboratoire une grosse molécule de carbone avec la géométrie de l'icosaèdre régulier. Cette molécule allait devenir célèbre : c'est le buckminsterfullerène, avec sa formule C60, un exemple de molécule de la famille des fullerènes.

Molécule de C60 superposée à l'image du télescope Hubble de la nébuleuse NGC 7023. L'ion C60+ vient d'être détecté dans cette nébuleuse par réflexion. © Nasa et Esa, L. Cadars et O. Berné

Depuis, on suspectait fortement que des PAH et des fullerènes étaient à l'origine des DIB mais il restait encore à le démontrer, notamment en détectant une signature convaincante de la présence du C60, ou de sa forme ionisée (C60+), dans l'espace. Il y a quelques années, une telle signature a effectivement été découverte, mais sous forme de raies d'émission dans l'infrarouge moyen, grâce aux observations de Spitzer.

Toutefois, une partie des DIB, attribuées au C60 et au C60dans le MI, faisait débat. Certains refusaient cette interprétation en arguant que l'on ne disposait pas, au laboratoire, de données suffisamment précises pour être sûr de cette hypothèse. C'est notamment le cas pour le cation du buckminsterfullerène. Enfin, certains affirmaient que la molécule C60 ne se présente pas sous forme gazeuse mais qu'elle est piégée à la surface de poussières, dans le milieu interstellaire et dans le voisinage d'étoiles jeunes et chaudes ou en fin de vie.

Une clé pour la chimie interstellaire

Or, dans un article publié sur arxiv par une équipe d'astronomes de l'Irap et de l'observatoire de Cagliari (Italie), il semblerait bel et bien qu'une preuve de la présence de C60+ sous forme gazeuse dans le MI ait été apportée. Elle a été obtenue à partir de nouveaux calculs théoriques concernant le spectre de ce fullerène et d'observations faites par Spitzer concernant la nébuleuse par réflexion NGC 7023. Rappelons que, depuis Hubble, on appelle nébuleuse par réflexion un nuage de gaz et de poussières qui réfléchit la lumière d'une ou plusieurs étoiles voisines qui ne sont pas assez chaudes pour causer l'ionisation des gaz, comme dans le cas des nébuleuses en émission. L'une des nébuleuses par réflexion les plus connues est celle des Pléiades.

Comme on sait que la molécule C60+ possède une réactivité et une stabilité notables en raison de sa structure de cage et qu'elle pourrait constituer jusqu'à 0,9 % du carbone du MI, on a maintenant des raisons supplémentaires de penser qu'elle pourrait jouer un rôle catalytique important dans la chimie du milieu interstellaire.

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