Lorsqu'une étoile explose en supernova, elle libère des éléments chimiques et les diffuse dans le milieu interstellaire. Ici, la nébuleuse du Crabe (dans la constellation du Taureau), un célèbre rémanent de supernova. © Rayons X : Nasa/CXC/J. Hester (ASU) ; Optique : Nasa/Esa/J. Hester et A. Loll (ASU) ; Infrarouge : Nasa/JPL-Caltech/R. Gehrz (Univ. Minn.), Wikimedia Commons, DP

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Loin des galaxies, la composition chimique ressemble à celle de chez nous

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Les exoplanètes sont communes dans la Voie lactée, ainsi que les molécules organiques dans les nuages interstellaires, mais qu'en est-il de la composition chimique du Système solaire à l'échelle de la Galaxie et même de l'univers observable ? Il semble que, là aussi, notre Soleil et ses planètes n'aient rien d'exceptionnel.

La théorie de la nucléosynthèse stellaire nous a appris que les atomes d'oxygène, de carbone et d'azote de notre corps provenaient des réactions thermonucléaires dans des étoiles plus massives que notre Soleil. Avec d'autres éléments lourds comme le fer, le magnésium, le soufre et le silicium ,surtout rencontrés dans le monde minéral des planètes rocheuses, ces noyaux sont expulsés dans le milieu interstellaire par des supernovae.

Ces explosions se regroupent essentiellement en deux types :

  • Les SN II, qui font intervenir l'effondrement gravitationnel d'une étoile dix fois plus massive que le Soleil ;
  • Les SN Ia, qui font intervenir des naines blanches dont la masse est initialement inférieure à celle de Chandrasekhar. Soit parce qu'elles entrent en collision, soit parce qu'elles accrètent de la matière qu'elles arrachent à des étoiles compagnes, elles explosent ensuite sans laisser de cadavres interstellaires - tels les étoiles à neutrons et les trous noirs.

Les éléments lourds produits par les étoiles et éjectés par les supernovae vont à leur tour être incorporés dans de jeunes étoiles massives ; un véritable cycle s'est ainsi mis en place dès l'allumage des premières étoiles, il y a plus de 13,5 milliards d'années. Ce cycle fait évoluer chimiquement les galaxies qui elles-mêmes ont évolué sous l'effet de l'allumage des quasars et des collisions. On peut donc s'attendre à ce que toutes les galaxies soient de plus en plus riches en éléments lourds au cours du temps. Mais peut-on en conclure qu'en moyenne, la composition chimique des galaxies est la même dans l'univers observable ? Quid de la composition de la matière normale qui se trouve dans le milieu intergalactique ?

Dans cet extrait du documentaire Du Big Bang au Vivant (ECP Productions, 2010), Jean-Pierre Luminet évoque la mort des étoiles massives, leur explosion en supernova et la formation de pulsars. © Jean-Pierre Luminet, YouTube

Des noyaux éjectés des galaxies par le souffle des supernovae

Les astrophysiciens tentent de répondre à ces questions depuis un certain temps et il semble qu'une équipe utilisant l'un des télescopes spatiaux de l'agence spatiale japonaise, la Jaxa, y soit finalement parvenue. Comme ces chercheurs l'expliquent dans un article déposé sur arXiv, ils ont étudié des amas de galaxies dans le domaine des rayons X avec le télescope Suzaku. Il est en effet possible de détecter la présence d'éléments ainsi que de mesurer leur abondance grâce à un spectre de rayons X.

Ces astrophysiciens ont d'abord jeté leur dévolu sur l'amas de Persée, un amas de galaxies situé dans la constellation de Persée à environ 250 millions d'années-lumière. C'est l'amas de galaxies le plus brillant dans le domaine des rayons X. Puis ils se sont tournés vers celui de la Vierge, situé à 50-70 millions d'années-lumière. Il était plus facile de mesurer les abondances d'éléments lourds produits principalement par les SN Ia dans le premier cas (le fer et le nickel en particulier) et par les SN II dans le second cas (l'oxygène et le magnésium notamment). Quant à la Voie lactée, les abondances mesurées indiquent qu'il y a eu environ une SN Ia pour cinq SN II.

Le télescope japonais Suzaku, ici représenté en vue d'artiste, est un cousin des télescopes Chandra, de la Nasa, et XMM Newton, de l'Esa, qui observent eux aussi dans le domaine des rayons X. © Jaxa

Les mesures de Suzaku ont essentiellement porté sur le milieu intergalactique. Cela peut sembler surprenant car on pourrait penser que ce milieu, pauvre en étoiles, n'a que peu évolué chimiquement, contrairement aux galaxies. Malgré tout, nous savons que le souffle des supernovae peut éjecter des noyaux hors des galaxies. Comme le gaz qui s'y trouve est particulièrement chaud (des millions de degrés), les émissions en rayons X sont plus intenses et il est donc plus facile de faire des mesures, même s'il n'est pas évident d'obtenir une bonne précision.

Les résultats des travaux des chercheurs sont tombés : ils sont surprenants et certainement intéressants pour les exobiologistes. En effet, les rapports d'abondance entre le fer, le silicium, le soufre et le magnésium sont grossièrement constants en moyenne dans tout le volume de l'amas de la Vierge. Qui plus est, ces rapports sont comparables à ceux trouvés dans la Voie lactée.

Certes, il peut donc exister de grandes différences entre certaines régions mais, globalement, il est possible d'en conclure que la composition chimique de l'univers observable est plutôt homogène, de l'échelle du Système solaire à celle des amas de galaxies. Cela renforce l'idée que la composition chimique de notre Système solaire n'est pas exceptionnelle à l'échelle du cosmos et donc que les conditions ayant mené à l'apparition de la Terre sont présentes dans la majorité de l'univers observable.

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