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Les nébuleuses
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 (cf. Mémoires sur la comète de 1758, p165) 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. A voir : Herschel Museum of Astronomy
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. 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. Barnard recensa 349 nébuleuses obscures dont la nébuleuse de la Tête de Cheval (B33) et la Tête de Serpent (B72) présentées ci-dessous 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.
Le ciel est tellement vaste que les astronomes découvrent et classent tous les jours de nouvelles nébuleuses (et bien entendu des galaxies). Le ciel est si riche que les astronomes amateurs peuvent à l'occasion également découvrir une nouvelle nébuleuse voire d'autres objets célestes (amas ouvert, galaxie, astéroïdes et comètes) comme ce fut par exemple le cas de Pascal Le Dû en 2011 (nébuleuse planétaire Dû 1). En moyenne les amateurs découvrent 5 nouveaux objets du ciel profond chaque année. On reviendra sur ces découvertes. Nous verrons plus loin qu'aujourd'hui les nébuleuses sont très communes dans la Voie Lactée comme dans la plupart des 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 stellaire 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 des poussières mais à une échelle et des concentrations très différentes. Quant aux étoiles, à part dans ce qu'on appelle les "nurseries stellaires", 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 cinq principales catégories : les nébuleuses d’émission, de réflexion, obscures, planétaires et les rémanents de supernovae. Les nébuleuses d'émission (ou en émission) dites 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
Ce phénomène d'émission permet d'étudier les nébuleuses au moyen de filtres sélectifs qui isolent 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) d'Orion, M20 la nébuleuse du "Trèfle" 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 toutes aussi jolies. Notons que les rémanents de supernovae (SNR) sont des nébuleuses d'émission bien que toutes n'émettent pas dans le rayonnement visible. On y reviendra. 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 comme au Chili, bien loin des lumières artificielles et de toute pollution, 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 !
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 obscurs 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.
L'astronautique nous apporte dans ce domaine un outil indispensable. Les télescopes spatiaux IRAS, ISO, SPIRIT III, WISE, Herschel et Spitzer, dédiés à l'astronomie infrarouge, ont permis aux astrophysiciens de sonder l'Univers entre 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. On attend également une grande aide dans cette partie du spectre du télescope spatial James Webb (JWST) de 6.5 m de diamètre lancé le 25 décembre 2021. 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 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, plus de 2000 nébuleuses identifiées qui témoignent de la présence à courtes distances d'une quantité impressionnante de matière dans le milieu interstellaire. 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.
Citons également les nébuleuses du flux intégré ou IFN (Integrated Flux Nebulae) dont la nature ne fut décrite qu'en 1976 par Allan Sandage. A l'inverse d'une nébuleuse de réflexion qui est illuminée par une étoile proche, une IFN est uniquement illuminée par le halo lumineux qu'émet l'ensemble de la Voie Lactée, ce qu'on appelle le flux intégré. Ces nébuleuses sont des nuages composés essentiellement de poussière présentes dans le milieu interstellaire à toutes les latitudes galactiques. Étant très pâles et gris ou bruns-rougeâtres, généralement les IFN ne sont pas visibles aux jumelles ou au télescope mais uniquement sur les photographies à très longues poses. Exceptionnellement, une poignée d'amateurs ont pu les observer à l'oculaire d'un télescope mais l'optique était très lumineuse (f/3-f/4) et installée soit dans un endroit très sombre sans lumière artificielle à l'horizon soit en altitude (> 1500 m). Notons qu'il fallut attendre que les caméras CCD accessibles aux amateurs se perfectionnent pour qu'on commence à voir des images en haute résolution des IFN. On y reviendra. Enfin, en 2002 des astrophysiciens proposèrent une nouvelle classe de nurserie stellaire située dans des régions HII géantes appelée "free-floating Evaporating Gaseous Globules" (des Globules Gazeux en Évaporation flottant librement), frEGG en abrégé. Ces globules gazeux composés d'hydrogène moléculaire dense se détachent telles des appendices sombres sur le fond stellaire brillant. Ils ont une forme cométaire avec une zone plus brillante et totalement opaque du côté de la nébuleuse où les étoiles sont en gestation (cf. J025157.5+600606 et J025027.7+600849). Ils ressemblent aux proplydes mais ont une masse nettement inférieure. Vu leur taille apparente minuscule, à peine plus grande que quelques pixels sur une photo amateur, la photographie des frEGG est réservée aux plus grands télescopes. On y revienda à propos de la formation du système solaire. En plus des nébuleuses d'émission, de réflexion, obscures, chaotiques et des IFN, le ciel renferme également des nébuleuses planétaires qui commémorent en quelque sorte la mort des étoiles peu massives. Leurs couleurs vives et leurs formes très structurées méritent quelques instants d'attention. Prochain chapitre
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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
ou dix mille Jupiter distribués dans un volume de 1.48 année-lumière de côté.
