CHAPITRE 8

L'IMPACTISME INVISIBLE

 

Définitions concernant l'impactisme invisible

Ce chapitre est consacré à la troisième forme d'impactisme (avec les formes macroscopique et microscopique), invisible celui-là, mais bien réel et particulièrement sournois, surtout à certaines époques quand le bouclier géomagnétique est provisoirement détruit et ne joue plus, pour plusieurs milliers d'années, son rôle protecteur.

Nous avons donné dans l'avant-propos une définition de l'impactisme invisible qui regroupe en fait deux impactismes assez différents, mais qui ont la particularité commune de ne pas être identifiables à l'œil nu : les particules d'une part et les poussières et les gaz d'autre part.

Certains auteurs refusent de considérer cet impactisme comme un véritable impactisme. Cela nous semble une erreur. C'est une source différente, mais bien réelle, de matière et de rayonnements à laquelle la Terre est confrontée en permanence, mais d'intensité très variable, et à laquelle la vie s'est parfaitement adaptée. Adaptée veut dire qu'elle a évolué en fonction des quantités reçues et des conséquences qui en ont découlé. En fait, l'impactisme invisible a des conséquences uniquement biologiques et il agit donc d'une manière significative uniquement sur la biosphère terrestre.

Comme nous le verrons dans la partie « Conséquences », aux chapitres 15 et 16, l'impactisme invisible joue un rôle déterminant dans l'évolution des espèces, car il est à l'origine de mutations génétiques et chromosomiques, irréversibles et parfois explosives. On le considère aujourd'hui comme responsable du bruit de fond des extinctions, bien mis en évidence à l'échelle géologique. Paradoxalement, on assimile ce bruit de fond à une évolution gradualiste, on pourrait dire darwinienne. L'évolution catastrophiste concerne les extinctions de masse (cinq seulement ont droit à ce titre), les extinctions secondaires (une vingtaine) et mineures (une grosse trentaine), qui au total ne dépassent pas la soixantaine pour les périodes géologiques depuis le Cambrien. Mais précisons bien que cette facilité de langage ne doit pas cacher l'essentiel : l'évolution due à l'impactisme particulaire est bien, elle aussi, catastrophiste, mais elle est permanente à l'échelle géologique, alors que celle due à l'impactisme macroscopique est épisodique et associée aux véritables extinctions.

Une découverte révolutionnaire : la radioastronomie

Le physicien anglais James Maxwell (1831-1879) avait pressenti le caractère électromagnétique de la lumière, découverte majeure qui fut prouvée par son confrère allemand Heinrich Hertz (1857-1894). Celui-ci, en 1888, mit le premier en évidence l'existence d'ondes radio, utilisables comme moyen de transmission. Ces deux géants de la physique allaient être à la base de tous les développements ultérieurs qui ont débouché sur une autre découverte révolutionnaire et imprévisible pour tous les chercheurs antérieurs : les corps célestes, et l'Univers en général, nous envoient des messages sous forme de rayonnements invisibles mais décelables à certaines longueurs d'onde.

La radioastronomie, à l'origine de laquelle est attaché le nom de l'ingénieur américain Karl Jansky (1905-1950) qui mit en évidence, en 1931, l'existence d'ondes venant de l'espace, permit de se rendre compte de l'extraordinaire violence de l'Univers, à travers l'étude d'une multitude d'astres différents. Le Soleil fut bien sûr le premier sujet d'étude, ses émissions ayant des conséquences directes pour la Terre, mais rapidement les radioastronomes mirent en évidence des objets et des phénomènes nouveaux, comme les quasars, les pulsars, les radioétoiles, les radiogalaxies, les restes de supernovae, les nuages et les molécules interstellaires, le rayonnement cosmologique et le rayonnement synchrotron. On peut dire qu'avec la radioastronomie, c'est une nouvelle vision de l'Univers qui apparut, plus complète (et aussi complexe) que l'ancienne qui se limitait à la fort étroite fenêtre optique. Des raies spectrales particulièrement intéressantes furent mises en évidence, comme la raie 21 cm de l'hydrogène à l'état atomique.

Les différents types de rayonnements

La Terre reçoit constamment du Soleil et de l'Univers galactique et même extragalactique des ondes électromagnétiques sous forme de rayonnements, dont l'œil humain (appareil d'enregistrement très imparfait) ne perçoit qu'une très faible partie : la lumière visible.

On sait que ces ondes éléctromagnétiques rencontrent la Terre à diverses longueurs d'onde et ces divers rayonnements extraterrestres sont étudiés par les astrophysiciens. Ceux-ci essaient de percer leurs secrets et de comprendre ainsi les divers phénomènes qui se produisent dans l'Univers, grâce à des ballons-sondes, des fusées et des satellites spécialement équipés, car notre atmosphère est opaque à la plus grande partie du spectre électromagnétique.

Les ondes visibles ont des longueurs d'onde s'étalant de 3000 à 8000 angströms (c'est-à-dire allant de 0,3 à 0,8 micromètre) : c'est la fenêtre optique. On démontre en physique que l'énergie transportée par un photon (particule de charge nulle associée à une onde éléctromagnétique) est inversement proportionnelle à sa longueur d'onde. Cela signifie que les rayonnements ultraviolet (UV), X et gamma qui suivent le rayonnement visible dans le spectre électromagnétique ont une longueur d'onde de plus en plus petite et une énergie de plus en plus élevée. Le domaine de l'ultraviolet s'étale de 100 à 3000 angströms, celui des rayons X de 0,2 à 100 angströms (leur énergie va de 0,1 à 50 keV) et celui des rayons gamma concerne les longueurs d'onde inférieure à 0,2 angström (leur énergie est supérieure à 50 keV). Ces trois catégories de rayonnements sont principalement d'origine solaire, mais proviennent aussi pour une petite part d'objets galactiques.

Il faut insister sur cette chance extraordinaire qu'ont les astronomes contemporains de posséder une matière première comme la lumière, qui est diffusée par les astres de l'Univers sous des formes diverses, et de savoir en déchiffrer le contenu (le message) grâce à la spectrographie. Longtemps, leurs prédécesseurs en furent réduits à l'étude de la seule fenêtre optique (figure). La technique, adjointe numéro 1 de la science, a permis progressivement d'ouvrir d'autres fenêtres, véritables ouvertures sur un monde qui ne demande qu'à se laisser déchiffrer :

— le rayonnement infrarouge pour tout ce qui est froid ;

— le rayonnement ultraviolet pour tout ce qui est chaud ;

— le rayonnement radio pour tout ce qui est bruyant ;

— les rayonnements X et gamma pour tout ce qui est violent.

Toute une gamme hétéroclite d'objets et de particules totalement insoupçonnés auparavant a pu être mise en évidence. Une chose est sûre, l'Univers est extrêmement violent, même si l'homme, à son échelle et avec sa vue sélective, ne s'en rend pas compte. Nous vivons bien dans un Univers cataclysmique, à une échelle qui nous dépasse largement.

L'astronomie de la violence

On appelle astronomie de la violence celle concernant les rayonnements X et gamma. Le développement de la recherche spatiale, à partir des années 1960, a permis d'observer notre Univers dans des domaines du spectre électromagnétique jusque-là inexplorés, pour la bonne raison que notre atmosphère terrestre est un écran fort efficace pour toute une série de rayonnements. C’est grâce à cette atmosphère imperméable (en période ordinaire) que la vie terrestre est possible car les photons les plus énergétiques (ultraviolets, rayons X et gamma) sont piégés et n'atteignent pas le sol. Cette astrophysique des hautes énergies a donc connu un développement prodigieux en moins d'un demi-siècle et a totalement renouvelé notre conception de l'Univers.

L'astronomie gamma, qui est la plus énergétique (après celle concernant les rayons cosmiques), concerne des longueurs d'onde inférieures à 0,01 angström (rappelons que la fenêtre optique s'étale entre 3000 et 8000 angströms). Les astrophysiciens des hautes énergies caractérisent plutôt les photons gamma par leur énergie, exprimée en kiloélectrons-volts ou en mégaélectrons-volts. Ainsi on observe des photons galactiques avec une énergie supérieure à 50 MeV.

L'astronomie X et gamma, c'est l'astronomie de la violence. C'est la raison pour laquelle ses sources sont associées aux phases ultimes, cataclysmiques de l'évolution des étoiles massives, comme les supernovae, les étoiles à neutrons et même les trous noirs. On sait que l'explosion des supernovae contribue à la formation d'éléments plus lourds que le fer (que la nucléosynthèse ordinaire n'est pas en mesure de produire) qui s'accompagne de l'émission de raies gamma caractéristiques des divers éléments créés. Ces supernovae sont également associées à des émissions violentes de rayons X et radio, comme c'est le cas pour notre nébuleuse du Crabe, résidu de la supernova de 1054 observée par les Chinois dans la constellation du Taureau. On parle aujourd’hui d’hypernovae.

Le rayonnement gamma se caractérise par des sursauts de très courte durée (souvent inférieurs à une seconde), des bouffées d'énergie émises de toutes les directions de l'Univers que l'on qualifie souvent de flashes, tellement leur durée est infime à l'échelle du temps astronomique. Ce n'est que dans les années 1990 que l'on a pu réellement mettre en évidence une contrepartie à ces sursauts dans les trois autres domaines du rayonnement : visible, infrarouge et X.

Les rayons cosmiques

Il existe encore un rayonnement extraterrestre beaucoup plus énergétique que les précédents, connu sous le nom de rayonnement cosmique. Il s'agit d'un flux de particules chargées électriquement (et non plus de photons comme c'est le cas pour les rayons X et gamma), constitué principalement de noyaux d'atomes d'hydrogène appelés protons (90 %) et de particules alpha (noyaux d'hélium), provenant du Soleil et de la Galaxie et qui traversent l'Univers à une vitesse voisine de celle de la lumière.

Dans ce rayonnement figurent encore en quantité très secondaire des noyaux d'atomes plus lourds (jusqu'au groupe du fer, de masse atomique 56), des électrons et des photons gamma. Les physiciens ont observé que l'énergie individuelle de certaines particules du rayonnement cosmique peut dépasser 1014 MeV, ce qui est absolument énorme, puisque c'est une énergie suffisante pour envoyer une masse de 1 kg à plusieurs mètres de hauteur.

Heureusement, en période normale quand la Terre possède son champ magnétique et sa magnétosphère, la plupart de ces rayonnements cosmiques subissent l'influence de ce champ magnétique et sont piégés dans les ceintures de Van Allen. Celles-ci ont été découvertes par le physicien américain James Van Allen (1914-2006) dès le début de l'ère spatiale. C'est en dépouillant les données transmises par le satellite Explorer, lancé en 1958 par la NASA, qu’il mit en évidence un flux de particules de haute énergie piégées dans la magnétosphère terrestre.

Il nous faut dire quelques mots sur cette magnétosphère terrestre qui est un paravent indispensable en période normale. On la définit comme la zone extérieure à l'atmosphère s'étendant autour de la Terre, dans laquelle le champ magnétique subit l'influence de l'activité solaire. Elle a une forme très particulière puisque le champ magnétique est déformé sous l'effet du vent solaire et que les perturbations subies ne sont pas partout identiques. De ce fait, la partie tournée vers le Soleil, "côté jour", est comprimée et s'étend seulement jusqu'à dix ou quinze rayons solaires (70 000 à 100 000 km), alors que l'autre partie, "côté nuit", s'étend très profondément dans l'espace (plusieurs centaines de rayons terrestres). (figure)

Comme nous le verrons dans les chapitres consacrés aux conséquences de l'impactisme, quand cette magnétosphère ne fait plus son office de paravent lors de la disparition du champ magnétique, c'est la catastrophe pour la vie (la vie existante s'entend). Les rayonnements de toute nature, et notamment les rayons cosmiques qui sont les plus énergétiques, franchissent le mur de l'atmosphère et l'irradiation cosmique joue à plein, avec comme conséquence immédiate une augmentation notable de la radioactivité. A forte dose, la majorité des espèces terrestres n'aiment pas cela !

Pour en revenir aux rayons cosmiques en période normale, c'est-à-dire durant au moins 90 % du temps, outre la partie piégée dans les ceintures de Van Allen, une autre partie se heurte à la carapace atmosphérique. La très grande majorité de ces rayons primaires de très haute énergie rescapés se désintègre à l'occasion de collisions avec les atomes de l'atmosphère, pour former des gerbes de particules secondaires moins énergétiques. Celles-ci, à leur tour, en entrant en collision avec d'autres atomes atmosphériques engendrent une troisième génération de particules, et ainsi de suite. Il en résulte que le rayonnement cosmique reçu à la surface terrestre est en grande partie composé de produits de désintégration.

En période ordinaire, on a constaté que l'intensité du flux du rayonnement cosmique augmente d'environ 20 % lorsque l'on passe de l'équateur au pôle, cela étant dû à la forme caractéristique de la magnétosphère et de l'épaisseur, variable selon les latitudes, des diverses couches atmosphériques. Quoique très affaiblis en arrivant au sol, les rayons cosmiques maintiennent depuis toujours à la surface de la Terre un taux important de radioactivité, bien supérieur à celui engendré par les activités humaines, même à l'époque actuelle avec la prolifération des centrales nucléaires.

Le Soleil et la Terre

Le Soleil est notre étoile (figure) et il est donc de très loin l'astre principal du Système solaire, puisqu'il monopolise à lui seul 999/1000 de la masse totale. Et pourtant, ce Soleil n'est qu'une étoile absolument insignifiante par rapport aux milliards d'autres qui peuplent la Galaxie. On voit bien le rapport de force de tous les composants de l'Univers : l'homme n'est rien par rapport à la Terre, qui n'est rien par rapport au Soleil, qui n'est rien par rapport à la Galaxie, qui n'est rien par rapport à l'Univers dans son ensemble. La Terre n'existe qu'à l'échelle du Système solaire, dont elle est un élément tout à fait mineur.

La vie terrestre est totalement tributaire du Soleil, et elle n'existe qu'en fonction de lui et grâce à lui. Cette vie ne peut exister que parce que le Soleil est une étoile relativement stable, même si elle a une activité permanente légèrement variable selon les époques. Certains astronomes considèrent que le Soleil est en fait une étoile magnétique variable et quasi périodique possédant une récurrence de 22 années (figure). D'autres ont noté depuis longtemps que si le Soleil était une étoile très variable, comme Mira Ceti (la Merveilleuse de la Baleine) par exemple, dont le débit d'énergie varie d'un facteur 100 en 330 jours, l'équilibre thermique de la Terre en serait très profondément modifié, avec des conséquences inévitables sur le monde vivant. La biosphère serait détruite dans sa quasi-totalité et l'homme bien sûr n'existerait pas, n'aurait jamais pu exister.

Quels sont les rapports exacts entre l'activité solaire et la vie terrestre ? La liaison est indéniable, mais à quel niveau ? On connaît surtout bien sûr le problème des cernes des arbres qui ont permis de repérer les années chaudes dans le passé historique et ainsi d'établir un calendrier climatologique d'une fiabilité incontestable, en liaison avec le cycle solaire. Autre exemple bien connu : la variabilité de l'atmosphère et la quasi-impossibilité de prédire le retour de certains satellites qui ont vu leur durée de vie sérieusement écourtée parce que la haute atmosphère était nettement plus dense que prévu, anomalie en relation certaine avec l'activité solaire.

Les colères du Soleil

Nous nous limiterons ici à deux aspects importants de cette colère solaire permanente, aspects d'ailleurs tout à fait complémentaires.

Les éruptions solaires

Les éruptions solaires se traduisent essentiellement par une émission à partir de la chromosphère de trois composants principaux :

— des ondes électromagnétiques (radio, visible, rayons UV et X) qui atteignent la Terre en 8 minutes seulement, ce qui veut dire qu'elles voyagent quasiment à la vitesse de la lumière.

— des protons qui atteignent la Terre en 1 à 5 heures.

— un nuage de plasma, beaucoup plus lent à atteindre la Terre puisqu'il lui faut de 20 à 50 heures.

On en retrouve la trace sur la Terre à de nombreux niveaux dans le cas de phénomènes de grande ampleur qui se produisent à une fréquence que l'on peut estimer à la dizaine d'années en moyenne.

dans la basse atmosphère (jusqu'à 80 km d'altitude), c'est-à-dire la troposphère, la stratosphère et la mésosphère, où des effets météorologiques, biologiques et sur la couche d'ozone ont été notés.

— dans le champ magnétique terrestre, avec des orages magnétiques.

dans les diverses couches de l'ionosphère (baptisées E, D, F1 et F2 et situées entre 80 et 500 km), qui sont très sensibles à ces orages magnétiques, avec des perturbations importantes dans les télécommunications.

dans la haute atmosphère (de 500 à 1000 km), qui est sous la dépendance directe du flux solaire et qui est donc très sensible aux variations de ce flux. On a noté un réchauffement des gaz de l'atmosphère se traduisant par des variations de densité (phénomène qui peut accélérer ou retarder la rentrée des véhicules spatiaux), des phénomènes lumineux dus à l'excitation et à l'ionisation des molécules et des atomes (aurores polaires, luminescence du ciel nocturne).

dans l'exosphère, partie la plus externe de l'atmosphère (au-dessus de 1000 km), et qui est donc déjà un milieu très dilué où se trouvent les ceintures de Van Allen.

Le vent solaire

Le vent solaire est l'une des manifestations les plus spectaculaires du Soleil. Son existence a été envisagée en 1951 par l'astrophysicien allemand Ludwig Biermann (1907-1986) pour expliquer un phénomène qui intriguait les astronomes depuis très longtemps : pourquoi la queue des comètes se dédouble-t-elle ? Cette queue est formée de gaz et de poussières et s'étend sur des distances pouvant atteindre plusieurs millions de kilomètres. Elle a la particularité d'être toujours orientée dans la direction opposée au Soleil. Biermann comprit qu'une partie des gaz est formée de matière neutre et s'oriente sous l'effet de la pression de la lumière solaire (la pression de radiation).

Une autre partie est constituée de matière ionisée par le rayonnement ultraviolet du Soleil. Biermann montra que la pression de radiation était insuffisante pour orienter la queue ionisée et qu'un autre mécanisme était obligatoire, généré par un flux de particules chargées en provenance du Soleil lui-même : le vent solaire.

Celui-ci est un flux de particules chargées, essentiellement des protons, des électrons et des noyaux d'hélium (avec aussi des traces infimes d'ions d'éléments plus lourds comme l'oxygène et le carbone) qui s'échappent en permanence de la couronne solaire et qui pénètrent le milieu interplanétaire avec des vitesses comprises en général entre 200 et 900 km/s, vitesse qui peut dépasser 1500 km/s lors de très fortes éruptions. Certains protons peuvent posséder alors une énergie de dix milliards d'électrons-volts. Son extension est étroitement contrôlée par le champ magnétique du Soleil.

On estime que la masse éjectée sous forme de vent solaire est d'environ une mégatonne par seconde, ce qui est insignifiant à l'échelle du Soleil. Une de ses caractéristiques est son extrême irrégularité, liée au fait que l'évasion de la matière varie considérablement selon la température de la haute atmosphère qui est elle-même directement commandée par l'ensemble des phénomènes de surface constituant l'activité solaire. Ainsi l'intensité du vent solaire peut varier dans un rapport de 1 à 50, ce qui est considérable, selon que le Soleil est en période calme ou agitée, alors que sa vitesse varie dans le même temps d'un facteur 10 (de 200 à 2000 km/s).

Une remarque importante a été faite par les spécialistes du Soleil. La température de la haute atmosphère n'a rien à voir avec celle de sa surface qui ressort en moyenne à 6000 K seulement, valeur typique pour une étoile de type spectral G2. Par contre, c'est en millions de degrés que se mesure la température de la haute atmosphère, ce qui peut paraître incompréhensible pour les non-spécialistes. Cela a des conséquences très importantes sur la nature de cette atmosphère. Sa composition ressort en gros à 87 % d'hydrogène, 12,9 % d'hélium, le reste des éléments se partageant le 0,1 % restant, avec des traces d'oxygène (0,025 %) et d'azote (0,02 %). Compte tenu de la température, ces éléments n'existent pas sous la forme d'atomes complets, mais sous la forme d'atomes ionisés (c'est-à-dire ayant perdu un ou plusieurs électrons) et d'électrons libres. Et surtout, l'atome d'hydrogène ayant perdu son unique électron, il se trouve réduit à un simple proton.

Ainsi, le vent solaire ne se présente pas comme un gaz classique, mais comme un plasma qui émet principalement en rayons X. Il s'échappe de la couronne solaire dans toutes les directions et baigne l'ensemble du Système solaire jusqu'à la fin de sa zone d'influence (appelée l'héliosphère) que l'on situe entre 100 et 150 UA.

On comprend donc qu'en période de crise, quand le vent solaire devient "tempête", le Soleil largue dans l'espace une quantité énorme de matière ionisée heureusement canalisée au niveau de la Terre par la magnétosphère, notre premier et principal paravent antiradiations, le second, encore assez efficace pour certains rayonnements, étant l'atmosphère elle-même.

Mais nous avons vu plus haut qu'il n'en faut pas beaucoup pour perturber la machine humaine, qui paraît bien fragile, aussi bien au niveau physique que psychique. La technologie aussi, de plus en plus souvent au fur et à mesure qu'elle se développe, va souffrir des caprices du Soleil et les quelques alertes de ces dernières années donnent à réfléchir.

La matière interplanétaire

Sous ce titre générique, on regroupe l'ensemble des gaz et des poussières qui se trouvent entre les planètes et le Soleil. Le milieu interplanétaire est un milieu très hétéroclite et très actif, associant une densité de matière très faible à une étonnante diversité de composition, diversité due évidemment à l'origine multiple de ses composants.

Nous allons étudier sommairement ces différents composants, mineurs mais bien réels, qui sont en mesure d'avoir une interaction avec la Terre et de participer à l'impactisme invisible, sous forme de poussières déposées sur la surface terrestre après avoir séjourné plus ou moins longtemps dans l'atmosphère.

La lumière zodiacale

Elle apparaît comme l'une des manifestations visibles de la matière interplanétaire, et est aussi connue sous le terme de gegenschein ou lumière anti-solaire. Déjà connue dans l'Antiquité, elle fut décrite en 1803 par le naturaliste allemand Alexander von Humboldt (1769-1859) comme une tache lumineuse faible située à l'opposé du Soleil. De nombreuses observations ultérieures ont conclu plus précisément à l'existence d'une bande lumineuse appelée le pont zodiacal qui s'étend tout au long de l'écliptique et joint la lumière zodiacale de l'ouest et de l'est en passant par le gegenschein. Celui-ci résulte de la diffusion de la lumière solaire par un nuage de poussières situé à environ 1,6 MK de la Terre dans la direction opposée au Soleil où l'attraction combinée de la Terre et du Soleil crée des conditions particulières et piège la matière qui s'y trouve (les astronomes appellent ce point particulier le point Moulton, du nom de l'astronome qui l'a mis en évidence).

Les diverses origines de la poussière interplanétaire

Ces poussières sont évidemment de nature différente. La plus grande partie est constituée par la désintégration des comètes. Nous avons vu que le dégazage progressif libère une infinité de petits blocs de matière qui eux-mêmes s'émiettent pour redevenir poussière en se répandant tout au long de l'orbite du corps parent. C'est l'origine classique des essaims de météores (et éventuellement de météorites) qui donnent lieu chaque année à des pluies d'étoiles filantes près des points de croisement avec l'orbite terrestre.

L'autre source principale est constituée par les résidus de la fragmentation et de l'émiettement postérieur des astéroïdes, qui comme les comètes redeviennent poussière. Nous avons dit au chapitre sur les astéroïdes que l'émiettement s'accélère, du fait d'un nombre sans cesse accru de fragments mineurs. Chaque collision produit une multitude de nouveaux fragments et de la poussière. Ainsi le renouvellement est permanent et la lumière zodiacale est constamment réalimentée.

D'autres sources secondaires existent pour cette poussière interplanétaire inépuisable. Une petite partie pourrait être un résidu direct de la nébuleuse à partir de laquelle le Système solaire s'est formé et qui n'aurait pas participé à la formation des planétésimales dont sont issues les planètes rescapées. Une autre partie pourrait être d'origine galactique et avoir été capturée par l'attraction gravitationnelle du Soleil à l'occasion de la traversée des nuages interstellaires, dont nous parlons plus loin, liée au grand mouvement du Système solaire autour du centre de gravité de la Galaxie. Une dernière partie pourrait être liée à de la matière planétaire éjectée des grosses planètes ou de leurs satellites à l'occasion d'impacts importants ou même à partir de phénomènes internes (volcanisme).

On sait que toute cette poussière interplanétaire est fortement influencée et perturbée par la pression de radiation solaire. En principe, elle est condamnée à tourner sur des orbites héliocentriques de plus en plus petites et à finir capturée par le Soleil. Mais ce transfert des poussières dans des régions proches du Soleil est compensée par un renouvellement constant de la matière, comme nous l'avons vu pour les astéroïdes et les comètes. Ce renouvellement est global à tous les niveaux de la hiérarchie (c'est-à-dire de la masse des constituants), à partir d'objets en attente dans les parties extérieures du Système solaire, principalement nuage de Oort et disque de Kuiper.

Poussières et gaz interstellaires

Nous verrons dans les chapitres concernant les conséquences de l'impactisme et du catastrophisme que les éléments gaz et poussières peuvent s'avérer très important dans certaines circonstances. Il convient donc de connaître l'essentiel sur le sujet, en sachant surtout que les étoiles sont les constituants principaux des galaxies et que c'est surtout à partir d'elles que la matière interstellaire, les particules et les divers rayonnements sont issus. Les étoiles sont les creusets de la matière, mais aussi paradoxalement de la vie.

La nature des poussières interstellaires

La spectrographie a montré que les nuages interstellaires sont composés pour partie de particules de nature solide qui forment la poussière interstellaire au sens propre. Leur forme ordinaire est celle de grains allongés de l'ordre de 0,5  micromètre en moyenne, c'est-à-dire une poussière fine. Ces grains seraient composés essentiellement de combinaisons de carbone (graphite ou diamant), oxygène, silicium, fer, magnésium, éléments courants dans l'Univers, souvent recouverts d'une pellicule de glace ou d'ammoniac. Ces grains de poussière ont une densité très faible : environ 10-13 particules par cm³. Ils ne représentent que 1 % (2 % dans certains nuages) de la masse des gaz, et sans doute moins de 1/2000 de la masse totale de la Galaxie.

Ces poussières sont principalement formées lors des éjections gazeuses à partir d'étoiles vieilles ou en fin d'évolution. Elles sont aussi le résidu du vent stellaire généré par les géantes rouges. On pense que les atomes projetés dans le milieu stellaire froid s'associent en molécules qui se solidifient, puis se dispersent pour former ou pour rejoindre un nuage interstellaire. Les astrophysiciens ont noté la présence de poussières dans les enveloppes gazeuses d'étoiles jeunes (types O et B) qui sont encore environnées de résidus protostellaires non encore dispersés.

Enfin, il faut signaler que ces différentes poussières interstellaires sont bien repérables en infrarouge puisqu'elles émettent un rayonnement thermique identifiable. Le satellite IRAS (Infra-Red Astronomical Satellite), qui était muni d'un télescope infrarouge de 60 cm de diamètre et de 62 détecteurs et qui a fonctionné durant l'année 1983, a repéré 250 000 sources, ce qui est considérable, parmi lesquelles de longs filaments de poussière qui parsèment l'espace interstellaire et de disques de particules solides autour de certaines étoiles. La poussière est un constituant mineur (par sa masse totale) mais essentiel (par son importance) de l'Univers.

Les gaz interstellaires

Les gaz interstellaires sont un autre composant important de la matière de l'Univers. Ils se présentent principalement sous la forme de nébuleuses brillantes de types différents, depuis les immenses nuages d'hydrogène (comme la nébuleuse d'Orion qui a une masse de plus de 200 000 masses solaires et que l'on sait être une inépuisable pépinière d'étoiles en formation) jusqu'aux nébuleuses planétaires qui sont, au contraire, le résidu d'enveloppes stellaires et dont la masse est faible (nébuleuse de la Lyre par exemple).

Le gaz est principalement constitué d'hydrogène atomique neutre (dans les régions appelées H I) et d'hydrogène atomique ionisé (dans les régions H II) avec des températures et des densités variables. Bien sûr, leur interaction avec les poussières est continuelle, et partout gaz et poussières font bon ménage. On n’est même pas loin de penser qu’ils ont besoin l’un de l’autre.

Les nuages de molécules

Plus d'une centaine de molécules diverses et de radicaux libres ont été identifiés dans l'Univers, aussi bien minérales qu'organiques, certaines étant déjà fort complexes (alcools et éthers). Nous en reparlerons dans la partie « Conséquences », dans le chapitre consacré à l'origine de la vie sur la Terre à partir du cosmos.

Enfin, il faut signaler la présence dans l'espace interstellaire de PAH (pour les hydrocarbures polycycliques aromatiques), qui sont des molécules organiques complexes, construites à partir de composés de benzène (d'où leur nom) et d'atomes d'hydrogène. Il s'agit d'une nouvelle composante de cette matière interstellaire qui pourrait être particulièrement abondante et dont l'existence n'est pas vraiment une surprise, puisque l'on sait qu'à chaque nouvelle génération d'étoiles la matière se complexifie. Le milieu interstellaire s'enrichit progressivement mais sûrement d'éléments lourds, et la composition chimique initiale évolue avec le temps. Les PAH, qui sont de grosses molécules comportant de 20 à 200 atomes, jouent probablement un rôle essentiel dans toute la physique et la chimie de la matière interstellaire. On se demande, bien sûr, si elles ont joué un rôle dans l'apparition de la vie, la présence de carbone étant un a priori favorable.

Une autre source d'énergie invisible : l'antimatière

L'existence de l'antimatière dans l'Univers est soupçonnée depuis longtemps, le problème pour les astrophysiciens étant de la mettre en évidence sans ambiguïté. Elle a été trahie par son association étroite avec des émissions de rayons gamma. Les spécialistes ont expliqué que la signature à 511 keV est caractéristique de l'annihilation en une fraction de seconde des électrons et positons lorsqu'ils se rencontrent. Comme nous vivons dans un univers de matière et non d'antimatière, celle-ci ne se laisse que très difficilement détecter, mais même si elle a un caractère terriblement éphémère, les accélérateurs de particules modernes arrivent à en produire en petite quantité.

L'antimatière est source de violence et le centre de la Galaxie paraît être un lieu particulièrement bien approprié pour la trouver. Les spécialistes pensent pouvoir l’associer avec la fameuse radiosource compacte (d’un diamètre de 20 UA seulement) Sagittarius A, qui émet principalement en radio, mais également en infrarouge en X et en gamma, et qui est l'une des plus puissantes du ciel malgré son éloignement (30 000 années lumière). Pour cette radiosource, la quasi-totalité des spécialistes privilégient l'hypothèse du trou noir super massif situé très près du centre de gravité de la Galaxie et dont la masse pourrait approcher les trois millions de masses solaires.

Mais rien n'est encore vraiment définitif. Quelques chercheurs préfèrent l'hypothèse de l'explosion d'une supernova géante (cachée des regards terrestres par l'épaisseur de la matière interstellaire dans la direction du Sagittaire) pour expliquer les émissions de rayons gamma et d'antimatière. Ce qui est sûr c'est qu'il est presque obligatoire que des explosions d'étoiles de l'envergure des supernovae produisent de l'antimatière, tout au moins provisoirement.

Dans le cadre de la théorie de l'impactisme, on se pose la question suivante : « Quelles seraient les conséquences de la rencontre du Système solaire avec un nuage constitué d'antimatière ? » Certains modèles laissent à penser qu'une telle rencontre pourrait avoir lieu tous les 100 MA. Cette collision matière/antimatière devrait engendrer une source intense de rayons X et gamma, avec évidemment une aggravation considérable de l'irradiation subie par la Terre (et les autres planètes). Avec en fait les mêmes conséquences que d'habitude. L'antimatière est un moyen de créer la violence par l'intermédiaire des rayonnements X et gamma, c'est tout. Mais nous en sommes encore au niveau 1 de l'hypothèse qui s'apparente vraiment à un scénario de science-fiction.

Rencontre possible avec un nuage interstellaire

La possible interaction entre le Système solaire et certains nuages interstellaires a été étudiée dès 1939 par deux astrophysiciens britanniques, Fred Hoyle (1915-2001), alors âgé de 24 ans, et Raymond Lyttleton (1911-1995). Dès cette époque, ils avançaient comme conclusion à leur étude qu'une telle rencontre pourrait modifier les conditions climatiques de la Terre, avec les conséquences biologiques qui en découlent.

Il est évident que de telles rencontres sont chose courante à l'échelle astronomique, dans la mesure où notre Système solaire est proche de l'axe médian de la Galaxie et qu'il fait autour du centre de gravité de celle-ci une révolution en 240 ou 250 MA.

L'existence d'un gaz et d'une poussière interstellaires a été mise en évidence au début du XXe siècle. L'astrophysicien John Hartmann (1865-1936), en effet, a pu observer dans les spectres d'émission de certaines étoiles des raies d'absorption qui s'expliquaient par la présence d'un écran diffus de matière interstellaire froide entre ces étoiles et la Terre. Plusieurs générations d'astrophysiciens durant tout le XXe siècle ont déterminé progressivement la composition de ce milieu interstellaire et plus d'une centaine de molécules ont pu être répertoriées avec précision.

L'une des premières remarques faites est que le milieu interstellaire est inhomogène, dans la mesure où les analyses spectrographiques donnent des résultats très différents selon la direction observée. Cela signifie que la grande part de la matière est concentrée dans des nuages interstellaires plus ou moins vastes et irréguliers, la majorité se trouvant dans le plan médian de la Galaxie. Comme prévu, l'hydrogène est l'élément essentiel, mais on y trouve également, en proportions variables selon les nuages, de nombreux autres éléments et une quantité plus ou moins importante de poussière. Les nuages sont plus ou moins ionisés, suivant le flux ultraviolet dispensé par les étoiles voisines. On pense que la densité des nuages interstellaires est de l'ordre de 10 à 10 000 particule par cm³ et que leur température ordinaire est voisine de 50 K, c'est-à-dire une température très froide.

Les dimensions des nuages interstellaires observés sont extrêmement variables, allant de 3 ou 4 années lumière pour les plus petits à plusieurs centaines d'années lumière pour les plus grands. On se rend donc bien compte que le Système solaire peut parfois baigner dans un nuage pendant plusieurs milliers d'années.

La question que se sont posé les astrophysiciens est donc celle-ci : « Y a-t-il un nuage interstellaire proche de nous et quand se fera la prochaine rencontre ? ». Certains, suite aux observations faites par le satellite Copernicus dans les années 1970, ont cru pouvoir indiquer la présence proche d'un tel nuage interstellaire. L'hydrogène étant de loin l'élément principal du milieu interstellaire, on a essayé de calculer sa quantité totale intégrée le long de lignes de visée dans différentes directions par la trace laissée dans les spectres d'absorption (raies Lyman a). Cette densité moyenne de l'hydrogène dans la direction d'une dizaine d'étoiles proches situées de 1 à 80 années lumière est voisine de 0,02 atome/cm³ seulement, contre 0,1 atome/cm³ dans le Système solaire (soit cinq fois moins).

On considère que l'existence d'un nuage devient réelle à une densité critique de 0,4 atome/cm³ à une distance de 0,3 année lumière du Soleil. Les astronomes pour leur (pseudo-) nuage proche privilégient la direction du Scorpion dans laquelle ils ont détecté la présence bien réelle d'un grand nuage interstellaire dont la densité serait de l'ordre de 10 000 atomes par cm³ et l'épaisseur de 0,05 parsec.

Hoyle et Lyttleton ont noté que lorsqu'un nuage traverse le Système solaire, il subit une importante attraction gravitationnelle de la part du Soleil. Celui-ci est alors en mesure de capter à sa surface une partie de la matière opaque du nuage. L'importance de la matière capturée croît avec la densité du nuage et décroît avec la vitesse relative par rapport au Système solaire. Ces deux savants ont montré que ce phénomène peut s'accompagner d'une modification de la luminosité solaire, modeste mais suffisante pour affecter le climat de la Terre.

Certains chercheurs pensent que seuls des nuages très denses (densité de 100 000 particules/cm³) peuvent réellement affecter le climat, surtout du fait de l'écran partiel existant entre le Soleil et la Terre. D'autres sont d'un avis contraire, estimant qu'une densité de 100 à 1000 particules/cm³ suffirait à faire écran au vent solaire. Cette fourchette paraît quand même bien faiblarde. On a calculé que pour une densité de 1000 atomes par cm³ et une vitesse de 20 km/s, conditions considérées comme moyennes et nullement exceptionnelles, la Terre balaierait chaque seconde 1028 d'atomes, réunis sous forme de grains de silice ou de graphite de quelques millièmes de millimètre de diamètre. La collecte pourrait atteindre une petite dizaine de tonnes par an et cela durant plusieurs milliers d'années. La présence d'un nuage interstellaire, même très ténu, pourrait (donc a pu dans le passé) modifier l'effet de serre et provoquer un refroidissement sensible de la Terre avec pour conséquence une période de glaciation.

Même si l'arrivée d'un nuage interstellaire de bonne taille n'est pas à l'ordre du jour à l'échelle humaine, il ne faut pas perdre de vue qu'il s'agit d'un phénomène astronomique banal et fréquent à l'échelle astronomique. Et surtout, rien n'empêche l'existence de mini-nuages de quelques heures lumière, trop petits pour être détectés, qui pourraient s'avérer tout aussi dangereux (à l'échelle humaine) que les gros dont l'action s'évalue à l'échelle astronomique.

Ces mini-nuages pourraient se présenter sous la forme de poches de matière et de gaz liés entre eux disséminées dans toute la Galaxie et devenues autonomes à la suite de la scission avec un nuage classique. Ces mini-nuages qui se situaient obligatoirement à la périphérie du nuage interstellaire auraient obtenu leur autonomie à la suite de perturbations stellaires qui les auraient définitivement séparé du nuage parent.

En fait, le Système solaire peut être très souvent traversé par de petits nuages, parfois suffisamment denses pour diminuer quelque peu la chaleur du Soleil. On est en droit de se demander si quelques variations repérées dans le calendrier climatologique de l'Antiquité, et même dans un passé plus lointain des mini-glaciations non totalement expliquées d’une manière satisfaisante par la théorie de Milankovic, ne relèvent pas d'un tel phénomène.

Ces mini-nuages sont l'un des acteurs de l'impactisme invisible et peuvent jouer épisodiquement un rôle perturbateur au niveau de la biosphère et peut-être même, comme nous le verrons, avoir un rôle dans le "bruit de fond" des extinctions et accessoirement dans la panspermie microbienne.

L'explosion de supernovae proches

Aujourd'hui, une supernova est emblématique de la violence de l'Univers, et à juste titre. A son maximum d'éclat elle peut devenir aussi lumineuse que la galaxie dont elle est un membre anonyme en temps ordinaire. Sa luminosité est au paroxysme du phénomène environ 10 milliards de fois celle du Soleil. L'énergie libérée est colossale, de l'ordre de 1044 à 1046 joules (sans aucune comparaison avec des phénomènes générés ordinairement par une étoile comme le Soleil), et la matière est éjectée avec une vitesse de plusieurs milliers de km/s.

Il est donc logique que l'une des causes les plus souvent invoquées pour donner consistance à la théorie de l'impactisme invisible est l'explosion de supernovae proches (quelques dizaines d'années lumière). Qu'en est-il exactement ? Vu leur extraordinaire intérêt, les supernovae sont l'un des sujets d'étude préférés des astrophysiciens, mais on sait qu'elles sont rares à l'échelle humaine, et plusieurs générations d'astronomes (depuis l'époque de Kepler en 1604) ont dû s'en passer. Seules de nombreuses supernovae extragalactiques ont été observées depuis la fin du XIXe siècle, mais comme elles sont très lointaines (plusieurs millions d'années lumière), elles restent peu spectaculaires et même ignorées en dehors du cercle restreint des astronomes.

L'explosion de celle de 1987, même si elle a eu lieu dans le Grand nuage de Magellan, a donc été une véritable aubaine pour la communauté astronomique, et elle a été suivie avec passion dans tous les observatoires. Elle a permis aux spécialistes d'affiner leurs modèles théoriques.

Les historiens de l'astronomie ont répertorié seulement huit supernovae galactiques depuis 2000 ans, ce qui est très peu. Elles ont explosé en 185, 386, 393, 1006, 1054, 1181, 1572 et 1604. Aucune n'était réellement proche, semble-t-il, donc on n'a aucune trace terrestre de ces événements, si ce n'est leur mention en tant que "étoiles hôtes" dans les textes chinois. Celle de 1006, dans la constellation du Scorpion, fut particulièrement spectaculaire, son éclat atteignant celui "d'un quart de lune". Elle fut également observée par les Arabes et les Européens et alarma évidemment les populations totalement incapables d'expliquer la présence de cette étoile extraordinaire autrement que par un signe de Dieu. D'autant plus, paraît-il, que cette apparition miraculeuse fut contemporaine de calamités (mais à cette époque, les calamités étaient quasi permanentes). Et heureusement encore que le fameux an 1000 était déjà passé depuis quelques années...

Pour le passé relativement proche, on connaît les restes de l'explosion d'une supernova qui a dû être très spectaculaire, celle connue sous le nom de Vela X, dans la constellation australe des Voiles. En 1968, on a découvert l'un des premiers pulsars qui se trouve lié à cette étoile détruite. Ce pulsar a la particularité d'être très rapide (10 impulsions par seconde), ce qui prouve que l'explosion est récente (11 000 ans environ), dans la mesure où la vitesse des pulsars diminue avec le temps. Ainsi celle du pulsar du Crabe est de 33 tours par seconde (une impulsion correspond à une rotation complète) et elle diminuerait continuellement de 36 milliardièmes de seconde par jour. La supernova de Vela est associée à une nébuleuse spectaculaire et tentaculaire, produit de la dispersion de la matière de l'étoile originelle. Elle est connue sous le nom de nébuleuse Gum, du nom de l'astronome australien Colin Gum (1924-1960) qui l'a décrite le premier avec précision. Son extension atteint 35°, si bien que les filaments externes pénètrent dans la constellation voisine de la Poupe. On pense qu'elle est apparue environ 9000 ans avant J.-C. et que l'étoile mère était située à environ 1500 années lumière (distance du pulsar rescapé donc). Nous en reparlerons dans le chapitre « Fausses pistes », car elle a été à la base d'une hypothèse fantastique basée sur des critères historiques troublants.

Les astronomes d'aujourd'hui sont bien conscients que la menace présentée par les supernovae, en fait, dépend uniquement des rayonnements de courte longueur d'onde (X et gamma) et plus encore des rayons cosmiques éjectés par l'étoile durant le cataclysme. Il est pratiquement certain qu'une grande partie de ces derniers sont des sous-produits de l'explosion de supernovae galactiques, mais aussi extragalactiques. Nous avons vu que les protons sont les constituants essentiels (90 %) des rayons cosmiques. Chacun de ceux-ci peut avoir une énergie d'une quinzaine de joules et leur nombre, sans être illimité, est très impressionnant par son nombre de zéros. On a calculé qu'une supernova explosant à 30 années lumière détruirait une partie substantielle de la couche d'ozone, ce qui serait embêtant pour les locataires de la biosphère, mais l'explosion d'une supernova si proche n'arrive que très rarement à l'échelle du million d'années. En fait, le danger existerait uniquement lors de périodes d'inversion géomagnétique.

Les supernovae ne constituent pas vraiment un danger dans le futur proche de la Terre, dans la mesure où il n'y a pas d'étoiles voisines candidates à l'explosion, même si ce thème est parfois utilisé dans des romans de science-fiction. Pour devenir supernova à la fin de sa vie, une étoile doit avoir une masse supérieure d'au moins 20 % à celle du Soleil, ce qui correspond à une luminosité absolue environ dix fois supérieure. Sirius, notre proche voisine la plus massive, n'est pas un danger avant plusieurs centaines de millions d'années, même si sa masse de 2,2 masses solaires la prédispose à devenir un jour (très lointain) supernova.

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