Qu'est-ce que l'espace interstellaire et où commence-t-il ?

Explorez le milieu interstellaire ici, avec notre guide ultime.

L'espace interstellaire est la zone entre les étoiles, mais il est loin d'être vide. Il contient de grandes quantités de neutrinos, de particules chargées, d'atomes, de molécules, de matière noire et de photons allant du rayonnement de la plus haute énergie à la lumière lente du fond cosmique micro-ondes (CMB), bien qu'assez dispersés.

Selon l'Observatoire national de radioastronomie (NRAO), la distance moyenne entre les étoiles de la galaxie de la Voie lactée est d'environ 5 années-lumière, bien qu'elles soient plus regroupées près du centre de la galaxie qu'à la périphérie où se trouvent le soleil et la Terre.

Cela signifie qu'il y a beaucoup d'espace entre les étoiles. Nous appelons collectivement tout ce qui se trouve dans cet espace le "milieu interstellaire", ou ISM en abrégé.

La composition de l'ISM est décomposée par les scientifiques du Centre de traitement et d'analyse infrarouge (IPAC) de Caltech : l'ISM est principalement composé d'atomes d'hydrogène (~ 90 %) et d'hélium (~ 8 %), qui sont les deux atomes les plus courants dans l'univers ayant été créés lors du Big Bang, mais il existe également d'autres éléments traces et molécules ne contribuant pas à plus de 2 % de l'ISM. Ces éléments, plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, ont tous pour origine la mort d'étoiles et ont été soufflés dans l'espace. Plus il y a de générations d'étoiles, plus l'ISM s'enrichit en éléments chimiques au fil du temps.

La limite de l'espace interstellaire est loin, mais peut-être pas aussi loin que vous ne le pensez. En fait, une partie de notre système solaire se trouve dans l'espace interstellaire.

Comment se peut-il? La définition de cette limite d'espace interstellaire est la région où la bulle magnétique du soleil s'affaiblit et se termine. Cette bulle magnétique, connue sous le nom d'héliosphère, est remplie de plasma (gaz ionisé). L'héliosphère est soufflée par le vent solaire qui entraîne les lignes de champ magnétique du soleil.

Le plasma dans l'ISM exerce une pression vers l'intérieur sur le bord de l'héliosphère avec ses propres champs magnétiques et particules chargées, conduisant à une structure complexe et variable à la frontière. Le vent solaire commence à s'affaiblir entre 370 et 430 miles par heure (600 à 700 kilomètres par heure) lorsqu'il commence à se heurter à l'espace interstellaire et ralentit à environ 62 mph (100 km / h). Le point auquel cela se produit est appelé le choc de terminaison. La région de l'héliosphère au-delà du choc de terminaison où le vent solaire continue de ralentir s'appelle l'héliogaine, puis la limite extérieure de l'héliosphère s'appelle l'héliopause. C'est à l'héliopause que le vent solaire s'arrête et cède la place à l'espace interstellaire, à environ 11 milliards de miles (18 milliards de km) du soleil.

Seuls deux engins spatiaux actifs ont traversé l'héliopause et sont entrés dans l'espace interstellaire. Il s'agit des missions Voyager 1 et 2 de la NASA. Lancés en 1977, ils ont visité les planètes extérieures avant de continuer plus profondément dans l'espace. En 2005, Ed Stone du JPL, qui était le scientifique du projet Voyager avant sa retraite en 2022, a annoncé que Voyager 1 avait traversé le choc de terminaison à une distance de 94 unités astronomiques (8,7 milliards de miles/14 milliards de km) du soleil.

La NASA a annoncé que Voyager 2 avait emboîté le pas en août 2007 à une distance d'environ 83 unités astronomiques (7,7 milliards de miles/12,4 milliards de km). Voyager 1 et Voyager 2 se dirigent dans des directions différentes, et le fait qu'ils aient traversé le choc terminal dans l'héliogaine à différentes distances du soleil suggère que l'héliosphère n'est pas symétrique autour du système solaire, mais qu'elle est écrasée. Cette forme est créée par l'équilibre entre la force du vent solaire vers l'extérieur et la pression de l'ISM sur l'héliosphère, en particulier dans la direction du mouvement du soleil dans l'espace.

Ensuite, la NASA a annoncé que le 25 août 2012, Voyager 1 traversait l'héliopause et devenait le premier vaisseau spatial à quitter l'influence du soleil et à entrer dans l'espace interstellaire. Il l'a fait à une distance de 121 unités astronomiques (11 milliards de miles/18 milliards de km) du soleil, qui se trouve dans le "disque dispersé" des comètes près du bord de notre système solaire. La NASA a également révélé que Voyager 2 a traversé l'héliopause et est entré dans l'espace interstellaire le 5 novembre 2018, à une distance de 121 unités astronomiques (11,3 milliards de miles/18,3 milliards de km).

Mais comment savez-vous que vous êtes dans l'espace interstellaire ? La preuve que les deux engins spatiaux avaient traversé la frontière se présentait sous la forme de changements dans l'environnement du plasma qui les entourait, mesurant en particulier une baisse du nombre de particules de vent solaire et une augmentation du nombre de rayons cosmiques galactiques provenant de l'extérieur de l'héliosphère.

Il y a une structure à l'ISM, même autour du système solaire.

Le système solaire traverse actuellement ce que les astronomes appellent le nuage interstellaire local, qui est un nuage vaporeux d'hydrogène gazeux neutre d'environ 30 à 40 années-lumière de diamètre décrit plus en détail par Jonathan Slavin du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Il y a aussi d'autres nuages ​​à proximité, et nous et tous ces nuages ​​existons dans la "bulle locale", qui s'étend sur des centaines d'années-lumière et est relativement dégagée de gaz et de poussière par d'anciennes explosions de supernovae d'il y a 14 millions d'années, selon des recherches menées par Catherine Zucker de Harvard. Les mesures de Voyager 2 du champ magnétique dans le nuage interstellaire local montrent qu'il est plus fort que prévu, mais toujours incroyablement faible - des millions de fois plus faible qu'un aimant de réfrigérateur - et qu'il subit des turbulences, ce qui entraîne une inclinaison du champ magnétique de 30 degrés par rapport au plan de la galaxie.

Le champ magnétique de ces nuages ​​interstellaires fait partie du champ magnétique galactique global ; chaque galaxie a son propre champ magnétique intrinsèque, dont les origines ne sont pas bien comprises.

Il est tentant de penser que le nuage interstellaire local est comme un brouillard, mais il est très diffus. Selon le professeur Barbara Ryden de l'Ohio State University, la densité de l'ISM peut descendre jusqu'à 0,1 atome par centimètre cube (bien que dans les plus grandes nébuleuses, la densité puisse atteindre 10 000 atomes par centimètre cube). Comparez cela à la densité de l'air sur Terre, qui est de 27 millions de milliards (10 ^ 19) de molécules par centimètre cube.

Presque tout le milieu dans l'espace interstellaire - environ 99% - est composé de gaz, avec seulement 1% sous forme de particules de poussière et de glace. Même si la composante poussière est mineure, elle peut avoir un effet dramatique que les astronomes appellent "rougissement", ou à son plus grave, "extinction de la poussière".

La poussière absorbe partiellement les longueurs d'onde visibles de la lumière. Ainsi, lorsque la lumière d'un objet distant doit traverser les bras spiraux poussiéreux de notre galaxie, ou à travers la poussière de l'espace interstellaire, elle devient plus sombre et plus rouge, comme l'ont décrit les astronomes de l'Université de technologie de Swinburne. S'il y a suffisamment de poussière, cela peut complètement bloquer la lumière visible d'un objet.

Alors que la poussière est problématique pour les observations en lumière visible, la lumière infrarouge peut la traverser directement, c'est pourquoi les astronomes utilisent des télescopes comme le télescope spatial James Webb (JWST) pour regarder à l'intérieur des nébuleuses ou voir des galaxies lointaines.

Les températures dans l'ISM peuvent varier en fonction de l'environnement local.

Il y a du gaz chaud présent partout avec des températures de millions de degrés, mais parce que ce gaz est si rare, il ne semblerait pas si chaud si vous étiez à l'intérieur. L'hydrogène ionisé par la lumière ultraviolette des étoiles chaudes proches rayonne à des températures de plusieurs dizaines de milliers de degrés. À l'autre bout de l'échelle, les amas d'hydrogène moléculaire peuvent à peine dépasser 10 degrés au-dessus du zéro absolu.

Il y a plus d'une façon d'étudier l'espace interstellaire, mais les observations terrestres sont difficiles à réaliser.

Le champ magnétique de l'héliosphère aide à protéger notre système solaire du rayonnement interstellaire qui se dirige vers nous sous la forme de particules chargées appelées "rayons cosmiques galactiques". Cependant, comme la force du vent solaire, et donc la forme et la force de l'héliosphère, croît et décroît avec le cycle d'activité de 11 ans du soleil, ce rayonnement cosmique galactique peut parfois s'infiltrer dans le système solaire.

Heureusement, la Terre est défendue à la fois par son propre champ magnétique et son atmosphère, qui dévient et bloque la grande majorité de ce rayonnement interstellaire entrant. Cependant, cette défense planétaire efficace rend impossible l'observation constante du rayonnement cosmique galactique depuis la Terre.

En plus d'envoyer des engins spatiaux comme les Voyagers dans l'espace interstellaire, les scientifiques peuvent observer ce qui se passe à l'héliopause en utilisant des engins spatiaux un peu plus près de chez eux. C'est exactement ce que fait la mission IBEX (Interstellar Boundary Explorer) en orbite terrestre de la NASA.

IBEX détecte les soi-disant «atomes neutres énergétiques» (ENA), que le site Web IBEX du Southwest Research Institute décrit comme se formant là où les particules chargées du vent solaire rencontrent des atomes neutres ou stables de l'espace interstellaire près de l'héliopause. Assez d'ENA refluent vers le système solaire interne qu'IBEX est capable de détecter jusqu'à plusieurs dizaines par heure, permettant aux astronomes d'étudier l'interaction entre l'héliosphère et l'espace interstellaire en fonction de l'endroit où le flux d'ENA est le plus fort et le plus faible, ce qui correspond à l'activité à l'héliopause.

Une découverte majeure a été celle d'un mystérieux ruban de particules qui traverse le ciel, dans lequel les émissions d'ENA sont deux à trois fois plus élevées qu'ailleurs. Le scientifique d'IBEX, David McComas de l'Université de Princeton, a décrit le ruban dans une déclaration de la NASA comme étant "totalement inattendu et non anticipé par aucune théorie avant que nous n'ayons effectué la mission". Le ruban reste inexpliqué.

Malgré les vastes distances entre les étoiles, les futurs engins spatiaux interstellaires pourraient éventuellement utiliser l'ISM pour alimenter leurs voyages colossaux.

Voyager assez vite pour atteindre les étoiles les plus proches en quelques décennies nécessiterait une grande quantité de carburant. La fusion nucléaire est un moyen de générer suffisamment d'énergie. Cependant, la quantité de carburant nécessaire à la fusion augmenterait considérablement la masse de lancement d'un vaisseau spatial interstellaire, ce qui signifie qu'il faudrait encore plus de carburant pour atteindre une vitesse de 12 % de la vitesse de la lumière, comme le propose l'étude Project Daedalus de la British Interplanetary Society.

Il existe un moyen pour un vaisseau spatial de récupérer son carburant pendant son voyage. L'hydrogène ionisé qui remplit l'ISM est un combustible parfait pour la fusion thermonucléaire. Un vaisseau spatial pourrait, en principe, générer un immense champ magnétique en forme de cône qui s'étend devant le vaisseau spatial, ramassant l'hydrogène ionisé, le comprimant et le canalisant vers l'embouchure du cône magnétique dans le réacteur de fusion du vaisseau spatial. Un tel moteur s'appelle un statoréacteur interstellaire, et est un concept qui a été inventé par le physicien de la fusion Robert Bussard en 1960 et qui est décrit plus en détail par l'Institute for Interstellar Studies.

Ce n'est pas aussi simple qu'il y paraît, cependant. Le cône magnétique doit être énorme : dans une région à plus haute densité de l'ISM, il a besoin d'une superficie de 3 860 miles carrés (10 000 kilomètres carrés) émergeant d'une ouverture de 62 miles (100 km de large), tandis que dans une région à plus faible densité, il faudrait un cône magnétique de 3,8 millions de miles carrés (10 millions de kilomètres carrés) dépassant d'une ouverture de 186 miles (300 km de diamètre). Le vaisseau spatial devrait également voyager assez vite en premier lieu pour pouvoir ramasser rapidement suffisamment d'hydrogène diffus pour générer un taux suffisant de réactions de fusion; cependant, les calculs montrent que si un vaisseau spatial pouvait d'abord accélérer à 2% de la vitesse de la lumière, il commencerait à rassembler suffisamment d'hydrogène pour atteindre 50% de sa poussée potentielle, et à partir de ce moment, le statoréacteur pourrait prendre le relais.

Les étudiants peuvent en apprendre davantage avec ce guide de l'ISM de l'Agence spatiale européenne. Suivez les progrès des Voyagers au cours des dernières années de leurs missions alors qu'ils continuent d'explorer l'espace interstellaire avec la NASA. En savoir plus sur une possible «sonde interstellaire» qui succéderait aux Voyagers et explorerait le milieu interstellaire au-delà de l'héliopause lors d'une mission de 50 ans.

La Route des étoiles de Iain Nicolson (William Morrow and Co., 1978)

Project Daedalus: The Final Report on the BIS Starship Study (Journal de la British Interplanetary Society, 1978)

Rejoignez nos forums spatiaux pour continuer à parler de l'espace sur les dernières missions, le ciel nocturne et plus encore ! Et si vous avez une astuce, une correction ou un commentaire, faites-le nous savoir à : [email protected].

Recevez les dernières nouvelles de l'espace et les dernières mises à jour sur les lancements de fusées, les événements d'observation du ciel et plus encore !

Keith Cooper est journaliste scientifique indépendant et rédacteur en chef au Royaume-Uni. Il est diplômé en physique et en astrophysique de l'Université de Manchester. Il est l'auteur de "The Contact Paradox: Challenging Our Assumptions in the Search for Extraterrestrial Intelligence" (Bloomsbury Sigma, 2020) et a écrit des articles sur l'astronomie, l'espace, la physique et l'astrobiologie pour une multitude de magazines et de sites Web.

Les nuages ​​de glace élevés dans l'atmosphère terrestre pourraient aider à prédire le changement climatique. La NASA veut regarder de plus près

Cette petite sonde de la taille de votre téléphone portable pourrait mesurer la gravité d'un astéroïde dans un premier espace

Combien de temps durera la nouvelle supernova visible dans le ciel nocturne ?

Par Richard Edwards16 mai 2023

Par Richard Edwards12 mai 2023

Par Fran Ruiz12 mai 2023

Par Kimberley Snaith11 mai 2023

Par Jeff Spry10 mai 2023

Par Fran Ruiz06 mai 2023

Par Richard Edwards06 mai 2023

Par Robert Lea04 mai 2023

Par Elizabeth Howell04 mai 2023

Par Jeff Spry02 mai 2023

Par Fran Ruiz27 avril 2023