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Nébuleuses et amas stellaires

La région d'Orion entre le Baudrier et M42. Nous devons cette image composite exceptionnelle qui résulte d'un temps d'intégration de plusieurs dizaines d'heures à Roberto Colombari, Robert Gendler et Federico Pelliccia dans le cadre du sondage ESO Deep Sky Survey (DSS).

Introduction (I)

En jetant un oeil perçant dans le ciel une nuit claire et sans Lune, chacun de nous a certainement distingué à la limite de la perception visuelle quelques taches diffuses près du Baudrier d'Orion, dans la constellation d'Andromède ou de Hercule ainsi qu'à l'écart de la Voie Lactée dans l'hémisphère Sud. Ces nébulosités furent découvertes par Magellan au XVe siècle puis furent cataloguées par Messier et Herschel au XVIIIe siècle et Lord Rosse au XIXe siècle.

Historiquement, c'est à partir de 1780 que le centre d'intérêt des astronomes se déplaça des étoiles vers les nébuleuses. En découvrant Uranus en 1781, William Herschel (1738-1822) s'était vu attribué par le roi George III d'Angleterre une pension royale de 200£ par an (~30000£ actualisées soit ~40000 €) qui lui permit de remplacer son petit télescope de 150 mm de diamètre par un modèle de 310 mm d'ouverture et 6100 mm de focale avec lequel il étudia notamment les étoiles doubles. Par la suite, il construit un télescope de 470 mm de diamètre et bien d'autres. Au total, Herschel construisit plus de 400 télescopes.

En 1786, Herschel déménagea à Windsor Road dans le Slough (Berkshire) situé à 35 km à l'ouest de Londres, propriété qui fut par la suite surnommée de "Observatory House" mais qui n'existe plus aujourd'hui. Herschel y construisit un télescope newtonien dont le miroir principal en speculum (alliage de cuivre et d'étain) mesurait 49.5" ou 1.26 m de diamètre et 40" ou 12 m de focale. Il demeura le plus grand télescope du monde pendant 50 ans jusqu'à la construction du "Leviathan" de Lord Rosse.

Grâce à ce puissant télescope manipulé à la force des bras, Herschel bientôt aidé par sa soeur Carline et son fils John répertoria et décrivit systématiquement les objets du ciel profond. En 1786, Herschel[1] publia le "Catalogue de Mille Nouvelles Nébuleuses et Amas d'Etoiles". Ce titre témoigne bien qu'Herschel faisait la distinction entre les nébuleuses à proprement dit et les amas d'étoiles. En l'espace de vingt ans il catalogua plus de 2500 nébuleuses et amas stellaires, qualifiant de "tachetées" celles qu'il pouvait résoudre en étoiles. En 1811, Herschel compléta son catalogue avec une liste de 52 nébulosités extrêmement diffuses dont il s'avéra dans les années 1970 que certaines d'entre elles étaient des nébuleuses du flux intégré ou IFN. On y reviendra. Au total, Herschel publia quatre catalogues qui décrivent 5079 objets du ciel profond.

Ce travail fut complété au XIXe siècle par divers astronomes dont John Dreyer qui utilisa le "Leviathan" de Lord Rosse et publia en 1888 le "New General Catalog" ou catalogue NGC comprenant la description de 7840 objets célestes, soit pratiquement 7730 de plus que celui de Charles Messier. Dreyer compléta son catalogue par deux suppléments ou "Index Catalog" en 1895 et 1908 décrivant 5386 objets supplémentaires qui furent de nouveau complétés par la suite. Aujourd'hui, le catalogue NGC/IC comprend plus de 14600 objets.

Herschel fit également un relevé statistique du nombre d'étoiles de chaque magnitude dans chaque région de la Voie Lactée. C'est de cette manière qu'il découvrit la forme aplatie de notre Galaxie et la grande échancrure obscure à hauteur des constellations du Cygne et de Cassiopée.

Notons qu'une version modernisée (plutôt qu'une réplique) du télescope d'Herschel de 1.26 m de diamètre est utilisée à l'Université de Derby à des fins didactiques tandis que le second miroir (le premier étant perdu) de 1.82 m (72") de diamètre du "Leviathan" de Lord Rosse est exposé au Science Museum de Londres.

A voir : Herschel Museum of Astronomy

William Herschel, sa soeur Caroline et John, le fils d'Herschel vers 1782 se préparant à observer dans leur télescope de 49.5" (1.26 m), un instrument de même facture que celui de l'observatoire de Birr Castle de Lord Rosse. Document Jean-Leon Huens/NGS.

C'est à Herschel que nous devons le concept de nébuleuse et leur classification en différents types (brillante, obscure, planétaire, etc.). Si Herschel et les astronomes du XIXe siècle étaient parvenus à résoudre certaines nébuleuses en étoiles, ailleurs la nébuleuse ressemblait à un système planétaire éloigné. D'autres étaient brillantes ou chaotiques et entouraient des étoiles multicolores. Enfin, il existait d'innombrables "nébuleuses" ayant une forme allongée, en spirale ou elliptique présentant un coeur brillant dont la nature était totalement inconnue. En fait, comme on l'apprendra au XXe siècle, sur l'ensemble du catalogue NGC/IC, il y a près de 8900 galaxies et des astres plus étranges encore (notamment des quasars) dont à l'époque on ignorait tout, l'Univers se limitant alors à la Voie Lactée. On y reviendra.

Les astronomes découvrirent également bon nombre d'endroits dans la Voie Lactée ne présentant aucune étoile brillante. Seule la silhouette d'une masse sombre devant le feu des étoiles témoigne de leur présence. En 1927, Edward E. Bernard recensa 349 nébuleuses obscures dont la nébuleuse de la Tête de Cheval (B33) et la Tête de Serpent (B72) comptent parmi les plus connues. On y reviendra. Du même coup, toute une variété de nébuleuses apparut mais il s'avéra bien vite qu'il s'agissait d'un monde obscur dont on ignorait l'influence.

Nous verrons plus loin qu'aujourd'hui toutes ces nébuleuses sont très communes dans la Voie Lactée comme dans les autres galaxies et leur brillance, comme leurs couleurs et leur structure s'expliquent par différents processus bien distincts dans lesquels les gaz et la poussière interstellaire jouent un rôle prédominant associés notamment au vent émis par les étoiles et à l'effet de la gravitation. Ce sont ces différents types de nébuleuses et processus que nous allons à présent décrire.

Le chatoiement des nébuleuses

Les nébuleuses furent confondues avec les galaxies jusqu'aux travaux d'Edwin Hubble en 1924 car elles présentent un aspect plus ou moins semblable dans un petit instrument d'observation. En réalité, tant par leurs dimensions, leurs formes, leur dynamique que par leur contenu, les nébuleuses n'ont pas grand chose à voir avec les galaxies, si ce n'est de contenir toutes les deux du gaz et de la poussière mais à une échelle très différente. Quant aux étoiles, nous verrons que les nébuleuses en abritent généralement très peu. En fait, les galaxies contiennent des nébuleuses et la Voie Lactée en est le plus bel exemple.

Les nébuleuses offrent des couleurs chatoyantes, révélées surtout par la photographie. Une nébuleuse apparaît généralement comme une zone brillante, riche en gaz ionisés (hydrogène, hélium, oxygène, azote, soufre) qui ont été éjectés des étoiles ou qui n'ont pas été utilisés au cours de leur formation. Dans d'autres circonstances, cette matière forme le vent interstellaire soufflé par les étoiles et notamment les supernovae au moment de leur explosion.

Ce gaz et cette poussière présents dans le milieu interstellaire peuvent occasionnellement se matérialiser lorsqu’ils sont excités par le rayonnement des étoiles ou éclairés à contre-jour. En fonction des mécanismes qui les rendent visibles ou de leur formation, les nébuleuses ont été rassemblées en quatre principales catégories : les nébuleuses d’émission, de réflexion, obscures et planétaires.

Les nébuleuses d'émission ou brillantes sont des ensembles gazeux produisant leur propre luminescence, alors que les nébuleuses de réflexion, comme leur nom l’indique ne font que réfléchir la lumière des étoiles qui les entourent. La célèbre nébuleuse d'Orion, M42 par exemple est un nuage de gaz en émission dans lequel la lumière ultraviolette des étoiles jeunes et chaudes du Trapèze ionise l'hydrogène, libérant son électron. Lors de la recombinaison de l'atome, le changement d’état provoque l'émission d'une lumière, d'ordinaire la raie de l'hydrogène alpha (Hα) à 656.28 nm, irradiant le milieu ambiant d'une lumière rouge.

A voir : SkyFactory

Images en haute résolution du ciel profond

Les dessins d'Andreas Domenico - Sketches at the EP

Dessins du ciel profond réalisés à l'oculaire de télescopes

Quelques exemples de nébuleuses d'émission. Ci-dessus à gauche, M42 la "Grande nébuleuse d'Orion" et M43 photographiées par Bobby Middleton; un compositage de M20, la nébuleuse "du Trèfle" ou Trifide réalisé par Robert Gendler à partir des photos prises par le Télescope Spatial Hubble et le télescope Subaru; la nébuleuse de réflexion NGC 7129 photographiée par Adam Block. Ci-dessous à gauche, M16, la nébuleuse "de l'Aigle" photographiée par Philip Perkins, Trent Kjell et Roland Christen. A droite, IC 1848 (Sharpless 199) de Cassiopée photographiée par Rolf Geissinger.

Ce phénomène d'émission permet d'étudier les nébuleuses au moyen de filtres sélectifs qui isoleront certaines raies du spectre (H alpha, H beta, [O III], [S II], [N II], etc). Parmi les nébuleuses d'émission les plus connues, citons la nébuleuse M42 (et M43) ainsi que la nébuleuse M16 de l’Aigle. L'amas des Pléiades M45 est la plus connue des nébuleuses de réflexion mais il en existe des dizaines d'autres moins connues et tout aussi jolies.

Poussières et nuages obscurs

Depuis l'invention du télescope, les astronomes ont attentivement étudié la Voie Lactée. Grâce aux observations de Huygens, Herschel, Barnard et Wolf parmi d'autres, nous savons aujourd'hui qu'il existe environ 200 régions dans le ciel qui sont dépourvues d'étoiles. Barnard et Wolf suggérèrent indépendamment l'un de l'autre que ces régions contenaient en réalité des nébuleuses obscures qui ne renfermaient pas d'étoiles capables de les illuminer. Leur silhouette apparaissait distinctement parce que cette matière était condensée et opaque au rayonnement et se situait devant des régions très denses de la Voie Lactée, fortement lumineuses.

Bien que ces nébuleuses soient obscures il est donc possible d'observer certaines d'entre elles comme le fit l'amateur belge le baron Renaud de Terwangne à une époque où les rares lumières artificielles le permettaient encore (1934-1954). Aujourd'hui, il faut probablement se retirer dans les hauts-lieux de l'astronomie ou en haute montagne et loin des lumières artificielles pour espérer observer les plus contrastées à la limite de la perception visuelle.

Dans les nébuleuses obscures telles que les Sacs à Charbon, la Tête de cheval B33, B68, la nébuleuse du Trèfle M20 ou la région autour de Rho Ophiuchus, 10-18 % seulement de la lumière incidente parvient à traverser la barrière de matière qui forment ces nuages, principalement constitués d'hydrogène moléculaire froid (10-20 K) et de molécules de CO mêlées à de la poussière qui sont de véritables pièges pour le rayonnement. Appeler certains nuages des "sacs à charbon" est donc chimiquement tout à faut justifié !

Les astronomes peuvent malgré tout étudier les nébuleuses obscures par des techniques dérivées, en infrarouge, par radio ou sur de plus courtes longueurs d’ondes, rayonnements qui compte tenu de leurs fréquences plus élevées ne sont que partiellement absorbés par la poussière. Ces nuages sombres ont une épaisseur qui oscille en général entre 10 et 100 années-lumière !

A gauche, la nébuleuse obscure Barnard 68 classée parmi les globules de Bok. Elle se situe à 407 années-lumière dans l'Ophiuchus. Une observation dans le rayonnement infrarouge (à droite) permet de déceler les étoiles situées à l'arrière-plan. Ce nuage moléculaire très froid (16 K soit -257°C) mesure 4'x4' soit plus de 10000 UA (~7 mois-lumière) et s'effondre sur lui-même. L'objet est au stade préstellaire et a déjà constitué un coeur de Larson. D'ici quelques centaines à quelques millions d'années, il devrait commencer à briller. A droite, les images visible et infrarouge des objets HH 901 et HH 902 situés à 7500 années-lumière dans la nébuleuse de la Carène, NGC 3372. Ces objets dit de Herbig-Haro sont des régions caractéristiques abritant des jeunes étoiles en formation. Les jets sont composés de gaz chaud ionisé émis par ces protoétoiles ou ces jeunes étoiles cachées dans les nodules sombres. Le vent stellaire des nouvelles étoiles est tellement puissant qu'il déforme et compresse les nuages obscurs du milieu interstellaire. Documents ESO/VLT, ESO et NASA/ESA/STScI.

Jusqu'à la fin des années 1920 et les travaux de l'astronome hollandais Jan Oort[2], les astronomes pensaient que l'espace entre les étoiles était vide et transparent. Si cette idée était plus ou moins correcte dans la direction perpendiculaire à la Voie Lactée, c'était totalement faux dans le plan horizontal ainsi que nous le verrons lorsque nous décrirons la Voie Lactée.

Pendant plusieurs siècles les astronomes n'ont pu étudier la Voie Lactée qu'aux longueurs d'ondes visible et UV (350-700 nm) où l'extinction par la poussière est très faible comparée aux longueurs d'ondes plus longues et notamment millimétriques. Par conséquent, les astronomes crurent longtemps que la poussière interstellaire ne jouait aucun rôle dans l’évolution stellaire et n’influençait pas les observations. Aussi, se basant sur des travaux sommaires et utilisant de ce fait des modèles incomplets, au début du XXe siècle cette idée conduisit bon nombre d'astronomes à ignorer l'effet de l'extinction interstellaire et à sous-estimer la vitesse radiale des étoiles et par conséquent à totalement se tromper sur la dynamique réelle et les dimensions de la Voie Lactée. On y reviendra en cosmologie à propos de la matière sombre.

Tant que ces nuages osbcurs ne sont pas trop épais ni trop denses, les techniques infrarouges permettent de les pénétrer pour observer les objets célestes situés à l'arrière-plan. Mais seule ici peut vraiment intervenir la radioastronomie, technique qui permet sonder l'univers dans un rayonnement qui par définition n'est pas perturbé par la lumière. Tant que ces nuages osbcurs ne sont pas trop épais ni trop denses, les techniques infrarouges permettent de les pénétrer pour observer les objets célestes situés à l'arrière-plan. Mais seule ici peut vraiment intervenir la radioastronomie, technique qui permet sonder l'univers dans un rayonnement qui par définition n'est pas perturbé par la lumière.

A gauche, gros-plan sur un détail des cirrus des Voiles du Cygne, NGC 6960 (la partie droite de cette image), des résidus de supernova photographiés en 2007 par le Télescope Spatial Hubble dans les rayonnements O III (bleu), H-alpha (vert) et S II (rouge). Au centre, NGC 7380, la "nébuleuse du Sorcier" photographiée par Volker Umland. A droite, une zone de 760 années-lumière située au centre de la Voie Lactée photographiée en infrarouge (8 microns) par le télescope spatial Spitzer révélant la grande quantité de poussière. La région est tellement dense qu'elle est totalement opaque à la lumière.

L'astronautique nous apporte dans ce domaine un outil indispensable. Les télescopes orbitaux IRAS, ISO, SPIRIT III, WISE, Herschel et Spitzer, dédiés à l'astronomie infrarouge, ont permis aux astrophysiciens de sonder l'univers en 10 et 100 microns (en-dessous l'atmosphère est encore transparente, notamment pour le programme 2MASS à 2 microns) en quête de protoétoiles en cours de formation, dont la présence est dévoilée par une augmentation ponctuelle du rayonnement infrarouge et de pénétrer dans les régions obscures de la Voie Lactée ou dans la structure des galaxies.

Dans les années 1930, grâce aux observations de Oort, on s'est rendu compte que dans le voisinage du Soleil la densité de la matière était d'environ 0.1 M/pc3, c'est-à-dire loin d'être nulle et transparente. Cela représente la quantité de matière d'une étoile dix fois plus légère que le Soleil (une naine brune) ou dix mille Jupiter distribués dans un volume de 1.48 année-lumière de côté.

En reculant les mesures sur des objets toujours plus éloignés, il s’est avéré que la quantité de poussière était considérable, en particulier dans le plan de la Galaxie. En effet, à l'échelle de la Voie Lactée, la poussière représente 1 % de la masse de la matière insterstellaire. Elle se concentre dans le disque où elle se mêle au gaz en s'alignant le long des bras spiraux. S'ajoute à ces nuages de poussière, les centaines de nébuleuses qui témoignent de la présence à courtes distances d'une quantité impressionnante de matière dans le milieu interstellaire.

A gauche, la région de NGC 7000, NGC 6997 et de la nébuleuse du Pélican située près de Déneb, α Cygni, photographiée par Paolo Moroni avec un téléobjectif Canon 200 mm USM f/2.8 fixé sur une caméra CCD Moravian G2-8300 f5 refroidie à -25°C. Temps d'intégration total de 28.1 heures sous filtres RGB, Hα et OIII. Le champ mesure environ 6.6° de diamètre. Au centre, la région de γ Cygni (l'étoile centrale de la croix du Cygne) et des nébuleuses IC 1318 B et C (à gauche), NGC 6914 (au-dessus), IC 1318A (au-dessus à droite) et NGC 6888 (en-dessous à droite). Le champ s'étend sur 5.6°x4.7°. Document Caltech/Palomar. A droite, gros-plan sur les complexes IC 1318 B et C près de γ Cygni photographiés par Oliver Czernetz en Hα avec une lunette-guide Takahashi de 106 mm FSQ EDXIII équipée d'un APN Canon EOS 6D muni d'un téléobjectif de 70-300 mm f/4-5.6. Temps d'intégration total de 2 heures à 400 et 800 ISO. L'image a été combinée avec une photo du sondage POSS-II.

Certaines nébuleuses sont chaotiques et présentent la particularité d'être d'émission, de réflexion et obscure tout à la fois. Le milieu est tellement dense et perturbé que vus de la Terre les gaz prennent des apparences très diverses. Citons par exemple NGC 7380 "la nébuleuse du Sorcier" située dans Céphée, la région de Rho Ophiuchus, d'Antarès et de M4 dans le Scorpion présentées ci-dessus, ou encore la nébuleuse "North America" NGC 7000 du Cygne et IC 1318 "la nébuleuse du Papillon" présentées ci-dessus.

Enfin, à côté des nébuleuses d'émission, de réflexion, obscures et chaotiques, le ciel renferme également des nébuleuses planétaires qui commémorent en quelque sorte la mort des étoiles. Leur origine particulière et leur forme très structurée méritent quelques instants d'attention.

Prochain chapitre

Les nébuleuses planétaires

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[1] Lire en anglais, W.Herschel, "Catalogue de Mille Nouvelles Nébuleuses et Amas d'Etoiles (1786), "Catalogue de deux Milles Nouvelles Nébuleuses et Amas d'Etoiles" (1789), "Catalogue de 500 Nouvelles Nébuleuses, Etoiles Nébuleuses, Nébuleuses Planétaires et Amas d'Etoiles" (1803). Après son décès, on compila les différents catalogues d'Herschel, de sa soeur Caroline et de son fils John sous une forme unique, le "Catalogue de Nébuleuses et d'Amas d'Etoiles" publié en 1863.

[2] Lire à ce propos J.Oort, "Galactic Structure", University of Chicago Press, 1965.


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