Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Du gaz invisible au voisinage du Soleil

Notre Galaxie est un grand disque constitué d'étoiles et de gaz, majoritairement de l'hydrogène. Les étoiles qui émettent de la lumière sont facilement visibles Mais comment découvrir la répartition du gaz d'hydrogène qui est souvent à très basses températures et émet très peu de lumière ? Les astrophysiciens emploient couramment plusieurs méthodes selon la nature exacte du gaz. Lorsque l'hydrogène est sous forme d'atomes isolés, il peut être décelé par une émission d'ondes radio caractéristiques à la longueur d'onde très précise de 21 centimètres. Lorsque l'hydrogène est au contraire sous forme de molécules dites H₂ (groupant deux atomes d'hydrogène) au sein de nuages froids plus denses, il est alors difficilement détectable directement. Mais il est mélangé dans des proportions relativement connues aux molécules de monoxyde de carbone (CO) qui émettent un rayonnement caractéristique à la longueur d'onde de 2,6 millimètres. Ces deux méthodes avaient jusqu'ici permis d'établir des cartes précises de la répartition du gaz dans la Galaxie.

Mais d'autres observations peuvent également révéler la présence de gaz, en particulier l’émission infrarouge des poussières qui sont toujours intimement mêlées au gaz et également l’émission de rayons gamma, la forme la plus énergétique de la lumière. Ces rayons gamma sont produits car la Galaxie est en permanence traversée par le "rayonnement cosmique", un flot de particules qui circulent à des vitesses proches de celle de la lumière. Lorsque ces particules ultra-rapides percutent un nuage, elles se désintègrent en produisant des rayons gamma. Elles peuvent ainsi pénétrer au plus profond et révéler les nuages les plus discrets.
C'est en suivant cette idée que l'équipe de chercheurs a analysé la carte des rayons gamma (d'énergie supérieure à 100 MeV) produite de 1991 à 2000 par l'expérience EGRET (en anglais "The Energetic Gamma Ray Experiment Telescope") à bord du satellite  CGRO-COMPTON (USA).

En confrontant cette carte avec les différentes autres sources d’information,  les scientifiques ont découvert que les rayons gamma délimitaient d’amples nuages de gaz parsemés de poussières glacées qui avaient échappé jusqu'ici à toute autre détection.  Situés au voisinage du Soleil, ils enveloppent tous les nuages connus d'hydrogène moléculaire, des célèbres nébuleuses d'Ophiuchus, du Taureau ou du Caméléon à 500 années-lumière de distance, jusqu’à la grande nébuleuse d’Orion à 1500 années-lumière (Figure 2). Ils forment un pont de matière sur 100 à 200 années-lumière entre les cœurs moléculaires denses où se forment les étoiles (Figure 3) et les réservoirs atomiques beaucoup plus diffus (Figure 1).

Situé à l’interface entre le gaz visible sous forme d'atomes  et de molécules,  le gaz sombre a une  masse importante, de 0.12 à 5 fois celle du gaz moléculaire visible grâce à la molécule CO. Il pourrait représenter une étape importante dans l’évolution du milieu interstellaire et dans la structuration des futurs sites de formation d’étoiles. Loin des brillantes étoiles massives, ce gaz est probablement riche en molécules H₂ et très froid, tout comme les poussières qui lui sont associées (-260C, soit 13 degrés seulement au-dessus du zéro absolu). Cette basse température pourrait expliquer pourquoi il n’apparaissait pas dans les relevés établis jusqu'ici.

Pour une animation montrant la superposition du gaz sombre sur les nuages atomiques et moléculaires : ficher AVI (1.05 Mo)

Une piste pour la matière noire ?

Dans un rayon d'environ 1 500 années-lumière autour du Soleil, la masse totale de gaz sombre dévoilée atteint environ 180 000 fois la masse du Soleil. En extrapolant à l’ensemble de la Voie Lactée, les mesures effectuées sur les nuages proches du Soleil, la masse totale de gaz sombre est au moins équivalente à celle de tout l’hydrogène moléculaire déjà détecté. Mais les conditions de formation de ce gaz froid étant particulièrement propices dans les régions externes de la Galaxie, il pourrait contribuer encore plus largement à la matière noire baryonique tant recherchée à la périphérie de la Voie Lactée.

Pour découvrir et étudier les nuages sombres à plus grande distance du Soleil, notamment vers l’extérieur de la Voie Lactée, il faudra attendre les observations du satellite international GLAST (Gamma ray Large Area Space Telescope, Grand Télescope Spatial du Rayonnement Gamma) dont le lancement par la NASA est prévu pour mai 2007, auquel les chercheurs du Service d’Astrophysique sont étroitement associés. Offrant une sensibilité 30 fois supérieure à celle de son prédécesseur EGRET et une résolution angulaire de 10 minutes d'arc (environ un tiers du diamètre du Soleil), tout en couvrant en permanence le tiers du ciel, GLAST pourra sonder les régions reculées de la Voie Lactée et cartographier la matière interstellaire sombre ou brillante de quelques galaxies voisines.
 

Contact :