Formation du milieu interstellaire

[invite0276da97]

Bonjour,

Pouvez vous m'expliquer comment se forme le milieu interstellaire ?
-----

[Amanuensis]

La question n'est pas claire. D'habitude la question est l'autre: comment se forment les étoiles. Faut des étoiles pour que le milieu soit "inter-stellaire"!

Le modèle usuel est qu'en remontant le temps à une étape on trouve un Univers plein d'un gaz d'hydrogène et d'hélium, qui va commencer à s'effondrer dans certaines régions, aboutissant à l'allumage d'étoiles, groupées en galaxies. Certaines étoiles finissent par exploser distribuant une partie de leur matière dans le milieu environnant.

Ergo: le milieu interstellaire est le gaz originel qui n'a pas fini dans une étoile, enrichi par de la matière venant d'explosions d'étoiles.

Est-ce que la question porte sur l'origine du gaz avant l'allumage d'étoiles (avant donc qu'il soit "inter-stellaire")?

[Gilgamesh]

Bonjour,

Pouvez vous m'expliquer comment se forme le milieu interstellaire ?

Le milieu interstellaire c'est, autrement dit, l'atmosphère galactique. Expliquer comment se forme cette atmosphère revient à expliquer le fonctionnement de la "machine galactique".

Une galaxie, au départ, c'est du gaz. Un gaz extrêmement dilué. Pour te le mettre à l'échelle, prenons notre galaxie à l'échelle 10^-19 (un mètre pour 1000 années-lumière). A cette échelle, c'est une galette de 100 mètres de diamètre pour 3 mètres d'épaisseur environ, au niveau des bras. La matière baryonique (l'ensemble des étoiles et du gaz) remplissant cette vaste structure mais ramenée à la densité de l'eau tiendrait sur la pointe d'une épingle...

Ce gaz a une composition précise, celle résultant de la nucléosynthèse primordiale, soit en gros 3/4 d'hydrogène et 1/4 d'hélium + un poil d'autres éléments légers (D, Li, Be, B). A l'issue des âges dits obscures (puisque dépourvus d'étoiles), environ 200 Ma après le début de l'expansion, ce gaz primordial, suffisamment refroidit, va s'effondrer de places en places pour former les premières étoiles (dite de Population III) et celles-ci, probablement très massives, vont rapidement exploser en supernovas, en dispersant dans le milieu des éléments lourds formés en leur sein, que l'on nomme collectivement "métaux" en astrophysique. Il y a là dedans de l'oxygène, du carbone, de l'azote, du silicium, du fer, etc. Ces éléments lourds vont se condenser en poussières.

Ces poussières sont des petites condensations oblongues de 0,1 à 1 µm de longueur, formées d'un noyau réfractaire de métaux (Fe essentiellement) et de silicates (SiO₂ et consorts) entourés d'une gangue de matériaux volatiles (H₂O essentiellement + toutes les autres glaces planétaires : CO₂, CO, CH₄, NH₃...) sous forme de glace amorphe qui dissout une petite fraction de composés organiques ('hydrocarbures').

Le point important est que ces poussières forment des "radiateurs" très efficaces, c'est à dire que lorsqu'elles sont heurtées par une molécule de gaz, le choc va être inélastique, cad que l'énergie va être absorbée par la montagne d'atomes disposés en réseau cristallin que constitue la poussière et, via les vibrations du réseau, être ré-émise dans l'infra-rouge. Un nuage poussiéreux va donc rayonner efficacement. De la sorte, il va se refroidir. Il se condense, ce qui améliore encore l'efficacité des processus radiatifs. Le gaz galactique pour l'essentiel est "tiède" (~ 10⁴ K) c'est à dire grosso modo en équilibre thermique avec le rayonnement des étoiles. En devenant poussiéreux sa température peut être divisée par 1000 pour atteindre 10 K. A cette température, il devient localement instable, c'est à dire que sa pression devient insuffisante pour contrer la force de gravité et il va précipiter pour former des étoiles, de toutes masses. Plus le milieu est froid, plus il peut former de petites étoiles. La petite fraction d'étoiles massives d'une génération (> 8 masses solaires) va finir sa brève existence en supernovas, ce qui va enrichir le milieu en "métaux" et in fine en poussières. Entre temps, la pouponnière, vivement éclairée par les feux des étoiles massives, va former ce qu'on appelle les régions HII (les petites tâches rosées qui parsèment les bras bleutés des galaxies spirales - cf. illustration, représentant la galaxie spirale M51).

Par un effet de feed-back positif, la galaxie en gagnant en métallicité va devenir de plus en apte à transformer son gaz en étoiles, jusqu'à épuisement. A l'issue, elle quitte le rang des spirales pour devenir une galaxie elliptique, riche en métaux, peuplée d'étoiles de faibles masses (les étoiles massives vivent peu de temps), dépourvue de gaz et à la natalité stellaire éteinte.

Les nébuleuses HII ont un rôle essentiel dans la grande machine galactique, mais il y a d'autres types de compartiments gazeux, qui s'inscrivent tous dans ce schéma "écosystémique" des cycles de formations stellaires.

Si on détaille : les nuages denses, poussiéreux et froids où se forment les étoiles représentent à peine 2% du volume, mais près de 48% de la masse. Le reste, 98% du volume, est constitué par un milieu dilué, ionisé et chaud, voire très chaud.

Composition de l'atmosphère galactique

Dans les nuages :

Régions H2 (hydrogène moléculaire)
Température (K) : 15
Densité dans le plan galactique (atome/cm3) : 200
Épaisseur de la couche (parsecs) : 150
fraction volumique (%) : 0,1
fraction massique (%) : 18

Régions HI (hydrogène atomique) :
Température (K) : 120
Densité dans le plan galactique (atome/cm3) : 25
Épaisseur de la couche (parsecs) : 200
fraction volumique (%) : 2
fraction massique (%) : 30

Entre les nuages

Régions HI chaudes (hydrogène ionisé)
Température (K) : 8000
Densité dans le plan galactique (atome/cm3) : 0,3
Épaisseur de la couche (parsecs) : 1000
fraction volumique (%) : 35
fraction massique (%) : 30

Régions HII chaud (hydrogène ionisé)
Température (K) : 8000
Densité dans le plan galactique (atome/cm3) : 0,15
Épaisseur de la couche (parsecs) : 2000
fraction volumique (%) : 20
fraction massique (%) : 20

Ces deux milieux proches de 10⁴ sont entretenus par le rayonnement UV dur des jeunes étoiles massives. Ils pèsent sur les couches nuageuses situées plus en contrebas et contribuent à augmenter leur pression (ce qui joue sur le taux de formation stellaire).

Région HII très chaud (hydrogène ionisé)
Équivalent au milieu coronal stellaire. Entretenu par le rayonnement dur des jeunes étoiles et par le gaz ultra chaud des supernovas qui remonte par l'effet de la poussée d'Archimède depuis plancher galactique jusqu'à son sommet, creusant des cheminée de gaz raréfié dans l'atmosphère pour éclater à sa surface et retomber après refroidissement radiatif en fontaines de gaz sur le disque.

Température (K) : 10⁶
Densité (atome/cm3) : 0,002
Épaisseur de la couche (parsecs) : 6000
fraction volumique (%) : 43
fraction massique (%) : 2

Le total de l'atmosphère représente 1/20e de la masse des étoiles. Une partie se forme en étoiles, partiellement restituée en fin de vie, une partie s'échappe à l'infini et alimente le milieu intergalactique, une partie provient de courants d'hydrogène intergalactiques ultra-purs qui tombent sur le disque (HVC high velocity cloud).

source : Ronald Reynolds, L'atmosphère galactique - PLS, fév-02


Tous ces compartiment sont à l'équilibre des pressions.

La pression d'un gaz c'est p = nkT
avec
n la densité volumique de particules (atome ou molécule)
T la température
k la cte de Boltzmann.

Dire qu'il y a équilibre des pression implique autrement dit que le produit nT est constant. Comme on le voit à la lecture du tableau, les région très chaudes seront également très peu denses, et vice versa.

A ce schéma de base, il faut rajouter la pression hydrostatique : le gaz disposé sur le plancher galactique (la tranche de jambon froid au centre du sandwich tiède) supporte le poids des couches supérieures, ce qui le comprime et augmente sa densité (donc sa améliore les processus radiatifs, ce qui le refroidit, etc).

[invite0276da97]

Merci pour ta réponse précise, vu mon niveau tu n'es d'ailleurs pas obligé d'aller si loin, j'aime juste comprendre comment une chose en entraine une autre et avoir ainsi une vue d'ensemble.

Ce gaz a une composition précise, celle résultant de la nucléosynthèse primordiale, soit en gros 3/4 d'hydrogène et 1/4 d'hélium + un poil d'autres éléments légers (D, Li, Be, B). ce gaz primordial, suffisamment refroidit, va s'effondrer de places en places pour former les premières étoiles

Je ne comprend pas pourquoi le froid provoque un effondrement. Est que cela veut dire qu'il y a plusieurs couches dans ces gaz et que les couches froides s'écroulent sur les couches plus chaudes et moins rigides.

Pourquoi ce gaz a t-il refroidit ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[Nicophil]

Bonjour,

Le total de l'atmosphère représente 1/20e de la masse des étoiles.

Ai-je bien lu ?

[invite0276da97]

Je me suis renseigné et c'est donc l'expansion de l'univers qui le refroidit. Dans ce cas comment savons nous que l'univers a été en expansion ? Je sais que l'univers observable c'est à dire dans notre zone d'observation est en expansion, mais on ne peut pas en déduire que tout l'univers est en expansion...Donc qu'est ce qui prouve que l'univers (entier) est en expansion ?

[invite20ae9842]

Bonjour.

Je ne comprend pas pourquoi le froid provoque un effondrement. Est que cela veut dire qu'il y a plusieurs couches dans ces gaz et que les couches froides s'écroulent sur les couches plus chaudes et moins rigides.
Pourquoi ce gaz a t-il refroidit ?

Je me suis renseigné et c'est donc l'expansion de l'univers qui le refroidit. Dans ce cas comment savons nous que l'univers a été en expansion ? Je sais que l'univers observable c'est à dire dans notre zone d'observation est en expansion, mais on ne peut pas en déduire que tout l'univers est en expansion...Donc qu'est ce qui prouve que l'univers (entier) est en expansion ?

Non, ce n'est pas ça. Le gaz s'effondre par effet de la gravitation, et son refroidissement permet la poursuite de cet effondrement (sinon l'augmentation de pression s'opposerait à la poursuite de l'effondrement).

Alain

[Nicophil]

Masse baryonique de la Voie lactée observée : 65 milliards de masses solaires (McMillan & Binney 2012).

La masse totale de notre Galaxie est estimée dans la gamme 1000 à 2000 milliards de masses solaires (Boylan-Kolchin et al. 2013). Ce qui, en supposant une fraction baryonique universelle de 0,157 (Collaboration Planck 2015), implique une masse baryonique totale de 160 à 320 milliards de masses solaires, soit entre 2,5 et 5 fois plus que celle observée.

Une grande partie de la masse baryonique de notre galaxie semble actuellement éviter la détection.

Source :
A distant echo of milky way central activity closes the galaxy's baryon census
F. Nicastro et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 828, Number 1 (29 august 2016)
http://dx.doi.org/10.3847/2041-8205/828/1/L12

Et, au fait : l’équipe de Fabrizio Nicastro a aussi pu estimer la masse totale du gaz chaud, ce qui était leur but initial : ils trouvent que le halo de gaz s’étend jusqu’à environ 200 kpc du centre (650 000 années-lumière) et a une masse de 130 milliards de masses solaires ! Toute la matière ordinaire manquante est donc bien là.

http://www.ca-se-passe-la-haut.fr/20...il-y.html#more

[Nicophil]

L'article est là en fait : https://arxiv.org/pdf/1604.08210v2.pdf

[Gilgamesh]

Je ne comprend pas pourquoi le froid provoque un effondrement. Est que cela veut dire qu'il y a plusieurs couches dans ces gaz et que les couches froides s'écroulent sur les couches plus chaudes et moins rigides.

Pourquoi ce gaz a t-il refroidit ?

Je me suis renseigné et c'est donc l'expansion de l'univers qui le refroidit. Dans ce cas comment savons nous que l'univers a été en expansion ? Je sais que l'univers observable c'est à dire dans notre zone d'observation est en expansion, mais on ne peut pas en déduire que tout l'univers est en expansion...Donc qu'est ce qui prouve que l'univers (entier) est en expansion ?

Non, dans le cas du milieu interstellaire, l'expansion de l'univers est hors de cause, elle ne fait pas ressentir ses effets à l'intérieur des galaxies.

Tout corps qui a une température rayonne, a proportion de la puissance quatrième de la température. C'est le cas des étoiles, du gaz, des planètes, de ton corps, etc.
Le refroidissement résulte du choc entre les particules. Plus le choc est violent, plus il a des chance d'être inélastique. Cela signifie que les deux particules qui s'entrechoquent ne repartent pas exactement avec la même vitesse. L'une d'elle par exemple a été excitée : un électron est monté d'un niveau d'énergie, puis est retombé aussitôt en émettant un photon. Au bilan, un partie de la chaleur du nuage a été convertie en rayonnement qui emporte son énergie au loin, ce qui entraîne le refroidissement du milieu.

[Gilgamesh]

Bonjour,

Ai-je bien lu ?

Oui, je pense qu'il faut voir ce chiffre comme délimitant le périmètre de l'étude. On ne parle pas du halo, mais simplement de l'intérieur des bras.

[papy-alain]

Masse baryonique de la Voie lactée observée : 65 milliards de masses solaires (McMillan & Binney 2012).

La masse totale de notre Galaxie est estimée dans la gamme 1000 à 2000 milliards de masses solaires (Boylan-Kolchin et al. 2013). Ce qui, en supposant une fraction baryonique universelle de 0,157 (Collaboration Planck 2015), implique une masse baryonique totale de 160 à 320 milliards de masses solaires, soit entre 2,5 et 5 fois plus que celle observée.

Une grande partie de la masse baryonique de notre galaxie semble actuellement éviter la détection.

Source :
A distant echo of milky way central activity closes the galaxy's baryon census
F. Nicastro et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 828, Number 1 (29 august 2016)
http://dx.doi.org/10.3847/2041-8205/828/1/L12

Et, au fait : l’équipe de Fabrizio Nicastro a aussi pu estimer la masse totale du gaz chaud, ce qui était leur but initial : ils trouvent que le halo de gaz s’étend jusqu’à environ 200 kpc du centre (650 000 années-lumière) et a une masse de 130 milliards de masses solaires ! Toute la matière ordinaire manquante est donc bien là.

http://www.ca-se-passe-la-haut.fr/20...il-y.html#more

Exit la matière noire ?

[Nicophil]

Ouep : voilà, on a fini par le détecter, le halo de matière ténébreuse baignant les galaxies et qui explique la courbe de vitesse des étoiles.
Seulement, au lieu d'être frigide et exotique, cette matière naguère ("il n'y a guère") esquivant toute détection est hot et tout ce qu'il y a de plus baryonique !

[pm42]

Ouep : voilà, on a fini par le détecter, le halo de matière ténébreuse baignant les galaxies et qui explique la courbe de vitesse des étoiles.
Seulement, au lieu d'être frigide et exotique, cette matière naguère ("il n'y a guère") esquivant toute détection est hot et tout ce qu'il y a de plus baryonique !

Ah bon ? La différence entre les 1000 à 2000 milliards de la Voie Lactée et les 160 à 320 milliards de matière baryonique, c'est quoi alors ?

[Nicophil]

Malheureusement, il y a un glissement de sens très répandu. Pourtant, il ne faut pas confondre matière noire et matière non-baryonique : la Cold Dark Matter (la CDM du modèle Lambda-CDM) est forcément non-baryonique mais cette hypothèse naît seulement dans les années 1980 ; alors qu'on peut faire remonter le problème de la matière noire à 1933 : https://fr.wikipedia.org/wiki/Mati%C...emiers_indices

La matière noire est-elle forcément non-baryonique ? Non, c'est simplement toute la matière qui n'est pas lumineuse :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Mati%C...n_des_galaxies

À partir des vitesses de rotation des étoiles et des galaxies (au niveau des amas), il a été possible de mesurer la masse de cette matière noire, et d'en déduire également sa répartition. Une grande quantité de cette matière devrait se trouver au sein même des galaxies, non pas dans le disque galactique mais sous forme d'un halo englobant la galaxie. Cette configuration permet une stabilité du disque galactique. De plus, certaines galaxies possèdent des anneaux perpendiculaires au disque et composés de gaz, de poussières et d'étoiles. Là encore, le halo de matière expliquerait la formation et la stabilité que de tels anneaux nécessitent. Par contre, il est impossible que la matière noire se trouve dans le disque galactique, car on devrait alors observer dans le mouvement des étoiles une oscillation perpendiculaire au disque ; oscillation que nous ne voyons pas.

À l'instar de la matière lumineuse, elle décroîtrait également au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre de la galaxie, mais de façon beaucoup moins prononcée. Ainsi, la proportion de matière lumineuse varierait de dominante au cœur des galaxies à négligeable à la périphérie. L'étude de galaxies satellites (petites galaxies tournant autour d'autres galaxies) oblige à imaginer des halos très étendus : environ 200 ou 300 kpc. Par comparaison, le Soleil est situé à environ 8,7 kpc du centre de notre Galaxie. La galaxie d'Andromède — galaxie la plus proche de nous — se situe à 760 kpc, soit un peu plus du double du rayon du halo de matière noire de notre galaxie. Du coup, ces halos devraient être communs entre galaxies voisines (comme des pépins dans une même pomme).

[pm42]

Ce qui n'explique pas où sont les 600 à 1800 milliards de masses solaires manquantes, baryonique ou non...
Donc, pour expliquer la courbe de vitesse des étoiles, il manque encore de la masse non ?

Ouep : voilà, on a fini par le détecter, le halo de matière ténébreuse baignant les galaxies et qui explique la courbe de vitesse des étoiles.
Seulement, au lieu d'être frigide et exotique, cette matière naguère ("il n'y a guère") esquivant toute détection est hot et tout ce qu'il y a de plus baryonique !

[invite0bbe92c0]

Exit la matière noire ?

Pas du tout : relisez. Il manque toujours les 85% (environ) de matière noire, mais on a retrouvé le total des 15% de matière baryonique, dont une grosse partie manquait.

[Nicophil]

C'est seulement en 2012 qu'on a réussi à observer directement ce fameux halo de matière noire : https://arxiv.org/pdf/1205.5037v4.pdf
Bon, du coup, comme on l'observe directement, ce n'est plus de la matière noire, si ?

[Nicophil]

1) Cet article vient d'être publié mais il est déjà périmé : les auteurs ignoraient que ce halo tourne, à une vitesse (très) proche de celle des étoiles. Or :

Le résultat auquel j'arrive pourrait donc rendre compte de la totalité de la masse manquante, qui serait en fait celle du halo de gaz chaud en rotation. En tout cas on est dans le même ordre de grandeur, alors qu'il s'en faut d'un facteur 5 dans l'hypothèse d'un halo de gaz chaud statique.

2) Y a-t-il consensus pour affirmer que la masse totale de la Voie lactée est assurément supérieure à 1000 milliards de masses solaires ? Non :
http://passeurdesciences.blog.lemond...a-voie-lactee/
http://www.sciencemag.org/news/2013/...ay-lost-weight

[pm42]

C'est seulement en 2012 qu'on a réussi à observer directement ce fameux halo de matière noire : https://arxiv.org/pdf/1205.5037v4.pdf
Bon, du coup, comme on l'observe directement, ce n'est plus de la matière noire, si ?

Encore une fois, il s'agit de la masse baryonique dont on connaissait l'existence mais qu'on n'observait pas. Rien à voir avec ce qu'on appelle la matière noire.
Si on avait réglé le problème de la matière noire avec des observations de 2012, cela se saurait...

[Nicophil]

Qu'appelle-t-"on" la matière noire ?

[invite51d17075]

Encore une fois, il s'agit de la masse baryonique dont on connaissait l'existence mais qu'on n'observait pas. Rien à voir avec ce qu'on appelle la matière noire.
Si on avait réglé le problème de la matière noire avec des observations de 2012, cela se saurait...

ben oui, il me semble.
c'est pas le principe du rasoir mais celui de Ducrot.

[pm42]

Qu'appelle-t-"on" la matière noire ?

Merci de confirmer que tu ne sais absolument pas de quoi tu parles et que tu essaies de noyer le poisson plutôt que de reconnaitre que tu as tout confondu.

[Nicophil]

Bon, du coup, comme on l'observe directement, ce n'est plus de la matière noire, si ?

Est appelée Dark la matière qu'on observe indirectement par ses effets gravitationnels mais qu'on n'a jamais "vu".
Ce qui ne veut pas dire qu'on ne finira pas par la "voir", auquel cas ce ne sera plus de la Dark.

[Nicophil]

1) Cet article vient d'être publié mais il est déjà périmé

2) Y a-t-il consensus ? Non

Alors que la masse totale de la Voie lactée est dans la range 500 - 3000 milliards de masses solaires, sa masse baryonique est désormais dans la range 200 - 2000 milliards de masses solaires.

Moi je dis que vous pouvez arrêter la chasse au dahu et reprendre une activité normale, merci, bonsoir.

[pm42]

sa masse baryonique est désormais dans la range 200 - 2000 milliards de masses solaires.

Plus haut, tu citais :

Masse baryonique de la Voie lactée observée : 65 milliards de masses solaires (McMillan & Binney 2012).
La masse totale de notre Galaxie est estimée dans la gamme 1000 à 2000 milliards de masses solaires (Boylan-Kolchin et al. 2013). Ce qui, en supposant une fraction baryonique universelle de 0,157 (Collaboration Planck 2015), implique une masse baryonique totale de 160 à 320 milliards de masses solaires

Bref, des chiffres incohérents qui couplé au fait que tu réponds en te citant toi même confirme qu'on est dans le délire le plus total.

[Nicophil]

Arrêtons les chamailleries. Depuis des lustres, les journalistes scientifiques (depuis Le Monde jusqu’à La Recherche) nous expliquent que « la matière noire » est une formule pour justifier l’anormale cohésion gravitationnelle des galaxies (comme Fourrier parlait de « lumière noire » pour expliquer l’effet de serre atmosphérique avant que l’on découvre l’existence de l’infrarouge). Ils nous ont toujours dit que la matière noire pouvait être aussi bien de la matière ordinaire non détectée à l’heure actuelle que de la matière inconnue (particules super-symétriques, etc.)

[pm42]

Oui, oui, je rigole et j'arrête de te parler vu ton incapacité chronique à répondre aux questions les plus simples sur tes affirmations. Tu réponds toujours en parlant d'autre chose.

[Nicophil]

Si on avait réglé le problème de la matière noire avec des observations de 2012, cela se saurait...

La découverte remonte à 2012 mais la prudence, voire la timidité, ont marqué les premières estimations de masse.

Mais en mai 2015, sensation : il faut rajouter 3 zéros à la masse du halo d'Andromède !
[ici le lien de l'article futura]
http://www.ca-se-passe-la-haut.fr/20...lo-de-gaz.html
http://autourduciel.blog.lemonde.fr/...ie-dandromede/

[invite0276da97]

Aroll, Non, ce n'est pas ça. Le gaz s'effondre par effet de la gravitation, et son refroidissement permet la poursuite de cet effondrement (sinon l'augmentation de pression s'opposerait à la poursuite de l'effondrement).

J'ai besoin d'en savoir plus.

Un, pourquoi d'un coup l'effet de gravitation arrive. Pourquoi pas avant. Surtout que l'univers étant en expansion normalement toute les masses y compris les particules devraient s'éloigner les une des autres et ne pas interagir.

Deux, Pourquoi ce gaz va se refroidir, quelle en est la cause ?

Il y a ensuite un raisonnement qui me contrarie puisque que vous justifiez la cause (les gaz doivent se refroidir) pour que cela corresponde à l'effet (sinon il n'y aurait pas d'effondrement de condensation de la matière)...Pour moi c'est la cause qui doit justifier l'effet et surtout pas l'inverse.