Ce n’est peut-être pas très connu, mais la physique quantique est un des outils indispensables pour explorer et comprendre le monde de l’astronomie, des comètes aux quasars.
Il y a un siècle, en janvier 1926, Schrödinger commençait à publier ses travaux sur la mécanique quantique, révélant sa célèbre équation gouvernant les ondes de matière, qu’il avait découverte en 1925, peu de temps après les publications de Heisenberg, Born et Jordan sur la version matricielle de la mécanique quantique.
Rapidement aussi en 1926, Schrödinger allait montrer que sa propre version de la physique quantique, la mécanique ondulatoire donc, permettait de retrouver les matrices de Heisenberg gouvernées par les équations formulées par Born et Jordan.
Rappelons que la physique quantique elle-même s’est largement développée initialement pour rendre compte des raies spectrales d’émission et d’absorption de la lumière dans le visible par des atomes et des molécules. En ce qui concerne les molécules, il n’existe pas seulement des niveaux d’énergie discontinus pour les électrons dans les atomes, qui émettent et absorbent donc de la lumière à des fréquences bien précises quand les électrons passent d’un niveau à un autre.
On peut s’en rendre compte déjà avec des molécules simples, celles qui sont diatomiques et que l’on peut représenter comme des haltères. En effet, on peut alors imaginer que les haltères sont en rotation ou que la distance entre les deux atomes varie, de sorte que la molécule peut vibrer.
Comment les astrophysiciens peuvent étudier par spectroscopie la composition chimique des astres. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © NASA’s Goddard Space Flight Center
Les comètes interstellaires, des outils pour sonder la chimie des planètes extrasolaires
La mécanique quantique nous dit que là aussi il y a des niveaux d’énergie et des transitions quantiques entre ces niveaux. Mais il se trouve que les raies associées sont dans le domaine de l’infrarouge et des ondes radio. C’est ce qui a permis de découvrir et d’identifier, notamment avec des radiotélescopes, la présence de molécules dans des gangues de glace entourant des poussières dans des nuages interstellaires, mais aussi dans la matière dégazée par des comètes. Les raies spectrales sont en effet des sortes de codes-barres permettant d’identifier dans l’espace des molécules dont on sait mesurer les raies en laboratoire sur Terre.
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Les comètes seraient-elle finalement la clé des mystérieuses origines de l’eau sur Terre ?
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Grâce à l’astronomie infrarouge et à la radioastronomie, les astrochimistes ont ainsi découvert, sans jamais mettre les pieds sur des comètes, qu’elles contenaient en majorité sous forme de glaces cométaires, en gros dans l’ordre d’abondance décroissante, de l’eau, du monoxyde et du dioxyde de carbone (CO2) ainsi que du méthanol, du formaldéhyde(CH2O), de l’ammoniac (NH3) et du méthane (CH4).
La molécule cométaire la plus complexe identifiée à ce jour est l’éthylène glycol (C2H6O2 connu dans la vie courante comme antigel), comme l’explique sur son site Jacques Crovisier, astronome à l’Observatoire de Paris-Meudon, a qui l’on doit, avec sa collègue Thérèse Encrenaz, un ouvrage sur les comètes qu’il est toujours utile de consulter en bibliothèque, même s’il date de 1995.
En parlant de comètes et de radioastronomie, on se souvient que la noosphère a fait la découverte ces dernières années de trois comètes clairement d’origine interstellaire (1I/‘Oumuamua, 2I/Borisov et 3I/Atlas), nées donc dans un nuage de poussières et de gaz qui s’est probablement effondré pour donner des étoiles et des planètes il y a des milliards d’années, avant la naissance du Système solaire.
De telles comètes, qui ont fait spéculer certains sur la possibilité – au début – qu’il s’agisse de sondes interstellaires de civilisations E.T. avancées, sont l’occasion d’en savoir plus sur la formation des exoplanètes ailleurs dans la Voie lactée. Sont-elles nées dans des conditions physiques et chimiques très proches de celle à l’origine du Système solaire et de la vie sur Terre ou au contraire témoignent-elles que nous devons notre existence à des conditions rarement réunies dans notre Galaxie comme le pense, par exemple, Jean-Pierre Bibring ?
Une présentation d’Alma et d’un de ses upgrades. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ESO
Des comètes bourrées de cyanure mortel ?
Une nouvelle pièce à ce débat vient d’apparaître, comme l’explique un communiqué du National Radio Astronomy Observatory (NRAO), aux États-Unis. Il accompagne un article en accès libre sur arXiv et parle d’observations faites avec le désormais mythique réseau Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) et il concerne la comète interstellaire 3I/Atlas.
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Nathan Roth, auteur principal de l’étude et professeur à l’American University, explique ainsi dans le communiqué : « Observer 3I/Atlas, c’est comme relever l’empreinte digitale d’un autre système solaire. Les détails révèlent sa composition, et elle regorge de méthanol d’une manière totalement inédite pour les comètes de notre Système solaire. »
Nathan Roth et ses collègues basent cette dernière affirmation sur des observations faites avec Alma fin 2025, alors que 3I/Atlas s’approchait du Soleil et libérait des gaz et des poussières par sublimation de ses glaces, sous l’effet du rayonnement thermique, formant un halo lumineux (ou coma) autour de son noyau.
Deux molécules en particulier ont été mises en évidence et étudiées via leurs raies dans le domaine radio submillimétrique : le méthanol (CH3OH), un alcool, et le cyanure d’hydrogène (HCN). Rappelons que le cyanure d’hydrogène est un poison et que l’annonce en 1910 par l’Observatoire Yerkes (un observatoire astronomique appartenant à l’université de Chicago situé à Williams Bay, dans le Wisconsin) de sa détection dans la queue de la comète de Halley, que la Terre devait traverser, avait déclenché une panique en réalité injustifiée. Les quantités livrées à la Terre à ce moment-là étant insignifiantes.
Aujourd’hui, le communiqué du NRAO nous apprend aussi que « les données d’Alma révèlent que 3I/Atlas est fortement enrichie en méthanol par rapport au cyanure d’hydrogène, bien au-delà de ce qui est généralement observé dans les comètes nées dans notre Système solaire… Ces mesures impliquent que la matière glacée de 3I/Atlas s’est formée dans des conditions très différentes de celles qui façonnent la plupart des comètes de notre Système solaire. Des travaux antérieurs menés avec le télescope spatial James-Webb ont montré que la coma de 3I/Atlas était principalement composée de dioxyde de carbone lorsqu’elle était éloignée du Soleil. Ces nouveaux résultats d’Alma ajoutent le méthanol comme autre détail inhabituel de sa composition chimique ».