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La poussière interstellaire : de la Voie Lactée à la ligne de lumière

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L'espace entre les étoiles qui peuplent notre galaxie n'est pas vide, il est rempli d'un milieu très dilué formé de gaz et de particules de poussière. D’énormes  progrès ont été réalisés ces trente dernières années quant à la compréhension de cette poussière interstellaire, grâce à des télescopes installés sur Terre ou à des satellites, mais beaucoup de ses propriétés restent à découvrir.
Des scientifiques de l’Institut néerlandais de recherche spatiale (SRON), de l’Institut Anton Pannekoek d'astronomie (Université d'Amsterdam) et de l’Institut d'astronomie et d'astrophysique de Taipei (ASIAA, Taiwan), ont notamment utilisé la ligne LUCIA pour obtenir des spectres de référence à partir d’analogues de poussière interstellaire. En les comparant aux mesures effectuées par les télescopes et les satellites, ces spectres leur ont permis d’interpréter les données provenant de la poussière interstellaire.

L'existence du milieu interstellaire, mélange de gaz et de particules de poussière, avait déjà été imaginée il y a bien longtemps. On considère qu’il a été mentionné pour la première fois par Francis Bacon en 1626.

Avec l'avènement de la photographie, les astronomes ont remarqué que le ciel n'était pas homogène mais présentait des taches plus sombres (Fig 1) : des nuages denses obscurcissaient la ligne de vision.

Les grains de poussière solides présents dans le milieu interstellaire ont une origine particulièrement fascinante, car la grande majorité d'entre eux suivent le cycle de vie des étoiles de notre galaxie. Au départ, une étoile et les planètes qui l'entourent sont formées d’un nuage de gaz et de poussière qui s'effondre. Lorsque l'étoile arrive en fin de vie, elle expulse une grande partie de sa masse dans le milieu environnant, créant ainsi de la nouvelle matière pour former de la poussière. Si l'étoile termine sa vie par une explosion en supernova, elle enrichit encore plus fortement l'environnement avec encore davantage de gaz et de poussière. Cette matière pourra alors constituer de nouvelles briques élémentaires pour former d’autres étoiles et des planètes. Comme l'a dit Carl Sagan, « nous sommes faits de poussières d'étoiles ».

Figure 1 : La nébuleuse obscure de Barnard 59. Il s'agit d'un ensemble de bandes de poussière qui obscurcissent la lumière des étoiles à l'arrière-plan.
Source : Richard Hook/ESO https://www.eso.org/public/news/eso1233/

Des progrès considérables dans la compréhension de cet important constituant du milieu interstellaire ont été réalisés ces trente dernières années. L'observation de la poussière interstellaire avec des télescopes terrestres et des satellites a permis de comprendre ses propriétés sur une large gamme de longueurs d'onde (des fréquences radio jusqu'aux rayons X). La lumière provenant d'une étoile en arrière-plan est partiellement absorbée par la poussière située entre l’étoile et l’instrument d’observation. Selon la composition chimique de la poussière, différents pics d'absorption et d'émission seront observées en surimpression sur le spectre de l'étoile. Grâce à ces observations, il est désormais admis que les grains de poussière interstellaire sont principalement constitués de carbone, d'oxygène, de fer, de magnésium et de silicium.  Ces grains sont minuscules. Leur taille moyenne est de 0,1 micron.
Cependant, beaucoup de leurs propriétés restent à découvrir, et c'est là qu’interviennent les rayons X. Imaginez la Galaxie comme un centre de rayonnement synchrotron, où les rayons X seraient produits par une étoile, et les instruments de mesure à bord des satellites constitueraient les détecteurs de la ligne de lumière. La poussière présente entre source et détecteur émettra alors un spectre, et la composition chimique et les propriétés physiques de la poussière pourront être déduites de la forme des signaux de ce spectre.

En astronomie, la gamme d’énergie des rayonnements X s'étend approximativement de 0,5 à 10 keV. Et les seuils d'absorption K des principaux éléments chimiques constituant les poussières interstellaires ont le bon goût de se trouver dans cette gamme ! Mais, pour interpréter les données astrophysiques enregistrées, elles doivent être comparées à des spectres de référence, obtenus sur des analogues de poussière interstellaire soumis à des rayons X, produit par un synchrotron par exemple.

Ces dernières années, l’équipe de scientifiques a constitué une base de données des seuils d'absorption des vingt composés les plus susceptibles d’entrer dans la composition de la poussière interstellaire (principalement des oxydes et des silicates). Les spectres d’absorption aux seuils K des éléments Mg, Al, et Si ont été collectés sur la ligne de lumière LUCIA de SOLEIL, cf figure 2.

Figure 2 : Spectres d’absorption des rayons X obtenus au seuil K du silicium, sur LUCIA. L'axe des abscisses indique l'énergie en angströms, tandis que l'axe des ordonnées indique l'absorption (unité : Mb) par atome de Si. Chaque composé produit un spectre unique qui lui est propre. Noter la différence entre les échantillons cristallins et amorphes (par exemple entre les échantillons 5 et 6). Dans le cas des échantillons amorphes, le motif d’absorption X change en raison de l'absence de structure cristalline.

Pour la première fois, les seuils K complexes de Mg et Si ont pu être modélisés avec des spectres de références pertinentes (Fig. 3). Les caractéristiques correspondant à Mg et Si sont des traceurs de la poussière interstellaire dans les milieux denses, comme le sont les environnements au centre et autour du centre de la Galaxie. Par conséquent, choisir dans cette région des sources de rayons X venant de l’arrière-plan permet aux scientifiques de sonder également la nature de la poussière dans une région active de formation d'étoiles, subissant des turbulences et des mélanges.

Figure 3 : Mesures au seuil K des éléments Mg et Si détectés dans le spectre de GX 3+1, une source brillante de rayons X. La poussière interstellaire située sur le trajet de la lumière, en particulier l'olivine amorphe (trait noir), représente la contribution principale à la forme des deux seuils d'absorption.

Les résultats obtenus sont à la fois rassurants et surprenants. L'olivine est un composé très courant qui prédomine dans les spectres observés. Ceci est confirmé par des observations réalisées à de plus grandes longueurs d'onde. Toutefois, le caractère cristallin de la poussière, qui était considéré comme peu courant dans toute la poussière diffuse de la Galaxie et en particulier près de son centre, semble finalement ne pas être si rare que ça (> 10 % selon le trajet de lumière considéré). Les trajets de lumière sont-ils spécifiques, pointant vers de la poussière nouvellement produite ? Ou bien les rayons X sont-ils en mesure de détecter le caractère cristallin des poussières grâce à leur sensibilité aux interactions à grande distance ? En d'autres termes, les grains dans les cristaux seraient peut-être capables de se protéger de l'environnement hostile en se revêtant d’une couche de silice amorphe.

L’étude de spectres obtenus avec différentes sources de lumière a permis aux scientifiques de déterminer également que les propriétés de la poussière (sa composition chimique et la taille des particules) ne changent pas fondamentalement d’un trajet de lumière à l’autre, ce qui signifie que le brassage de poussières est extrêmement efficace dans un rayon d'environ 10 millions d'années-lumière.

Ces résultats, ainsi que d'autres utilisant les mesures effectuées sur LUCIA, ont été publiés dans quatre articles, et deux articles supplémentaires sont en cours de publication.