Les composants de l'Univers

Composition du Milieu Interstellaire

Le Milieu Interstellaire, espace entre les étoiles et planètes des galaxies, contient de la matière, très diluée (~1 atome/cm³ en moyenne, contre ~10¹⁹/cm³ dans l'air). Le MIS se décompose en :

1. Gaz (~99 % de la masse)

• Hydrogène : Environ 70 %, sous forme atomique (H I), moléculaire (H₂) ou ionisé (H II).
• Hélium : Environ 28 %.
• Éléments plus lourds (« métaux ») : ~2 %. Carbone, oxygène, azote, fer, silicium… provenant de la nucléosynthèse stellaire.

Les phases du gaz

Le MIS est un milieu multi-phase en équilibre instable :

2. Poussières (~1 % de la masse)

• Grains de quelques dixièmes à quelques centaines de nanomètres : silicates, carbone, composés organiques, parfois des mantelles de glace (couches solides de composés volatils gelés - H₂O, CO, CO₂ - qui recouvrent les minuscules grains de poussière cosmique).

Ils sont essentiels. Ils absorbent et diffusent la lumière (rougissement interstellaire), jouent un rôle dans la formation des molécules complexes, et chauffent le gaz par photoélectrons (effet photoélectrique).

3. Rayons cosmiques et le rayonnement

• Particules énergétiques (protons, électrons relativistes), photons (UV, X, gamma), et champ magnétique galactique (~quelques microgauss) qui traverse le milieu.

Évolution cosmologique

• Aux premiers instants (recombinaison, ~380 000 ans) : Uniquement hydrogène et hélium primordiaux, plus des traces de lithium, pas de poussières.
• Premières générations d'étoiles (population III) : Pauvres en métaux, très massives. Elles ont « pollué » le milieu interstellaire avec les premiers éléments lourds et les premières poussières.
• Enrichissement continu : La métallicité du MIS d'une galaxie augmente au fil du temps. Dans la Voie lactée, elle est aujourd'hui proche de la métallicité solaire (~1–2 %), alors qu'elle était quasi nulle il y a plus de 13 milliards d'années.
• Le gaz s'épuise lentement : La formation d'étoiles transforme le gaz en étoiles et en restes stellaires. Sans apport externe (accrétion de gaz circumgalactique, fusions de galaxies), le réservoir s'amincit. Les galaxies elliptiques, pauvres en gaz, en sont un exemple abouti.

Évolution du Milieu Interstellaire : cycles galactiques

Le MIS est en perpétuel recyclage :

1. Enrichissement : Les étoiles massives fabriquent des éléments lourds et les dispersent par leurs vents, puis par les supernovae et les nébuleuses planétaires. Le MIS s'enrichit donc progressivement en « métaux ».
2. Effondrement : Les nuages moléculaires froids, instables gravitationnellement, se fragmentent et donnent naissance à de nouvelles étoiles.
3. Régulation : Le rayonnement et les vents des jeunes étoiles massives, ainsi que les chocs des supernovae, chauffent et dispersent le gaz, régulant le taux de formation stellaire.

C'est un cycle dit « autogravitant régulé par feedback » : formation stellaire → enrichissement et injection d'énergie → compression de nouveaux nuages → nouvelles étoiles.

Composition du Milieu Intergalactique

Notons préalablement que l'espace au-delà des galaxies elles-mêmes est structuré en suivant une "toile cosmique" (voir la page "Les grandes structures de l'univers"). La matière n'y est en effet pas répartie uniformément. Gaz et galaxies s'alignent le long de filaments et de nœuds reliant des amas et superamas de galaxies. (voir également les pages "Filaments et murs cosmiques" et "Les amas et superamas de galaxies")

Ce Milieu Intergalactique est encore plus dilué que le MIS (~10⁻⁵ à 10⁻⁶ particule/cm³, soit un million de fois moins dense).

Il se compose de :

1. Gaz chaud diffus, le principal constituant

Il s'agit du plasma chaud du « Warm-Hot Intergalactic Medium » (WHIM).

A 10⁵–10⁷ K, il contient 30 à 40 % de la matière « ordinaire » (baryonique) de l'Univers. L'hydrogène et l'hélium y sont majoritaires. Mais il est également enrichi en éléments lourds éjectés par les galaxies.

2. Gaz très chaud dans les amas de galaxies

Ce plasma de 10⁷ à 10⁸ K est le milieu intra-amas, à la frontière du MIG. Il est observable en rayons X, et baigné de champs magnétiques et de rayons cosmiques.

3. Rayonnement

• Le fond diffus cosmologique (CMB), rayonnement fossile issu du Big Bang, baigne tout l'espace intergalactique. Il nous apporte des informations précieuses sur l'univers primordial.
• Le fond extragalactique : lumière de toutes les galaxies cumulées.
• D'autres types de rayonnements, comme les rayons X et gamma, sont également présents, souvent produits par des sources cosmiques violentes.

A noter une absence quasi totale de poussières dans le MIG. Les grains, fabriqués dans les étoiles, restent confinés dans les galaxies. Seuls de très rares grains de matière sont éjectés traversent le MIG.

Évolution cosmologique

• Après le Big Bang : Le gaz est uniforme, froid, fait d'hydrogène et d'hélium (recombinaison, puis âges sombres).
• Réionisation (~400 millions d'années) : Les premières étoiles et galaxies ionisent l'Univers. Le MIG devient un plasma de part en part.
• Formation de la toile cosmique : Sous l'effet de la gravité (matière noire dominante), le gaz s'écoule le long des filaments vers les nœuds, nourrissant les galaxies en gaz frais (accrétion froide).
• Enrichissement : Vents galactiques, jets d'AGN (expulsions par les noyaux galactiques actifs, au centre des galaxies) et interactions galactiques éjectent continuellement métaux et énergie dans le MIG qui se réchauffe et s'enrichit avec le temps.
• Aujourd'hui : ~90 % des baryons hors des galaxies sont dans le WHIM. Le MIG continue d'alimenter la formation stellaire des galaxies, tandis que ce réservoir s'épuise lentement.

Interactions

L'espace intergalactique n'est pas un milieu statique. Il est notamment soumis à l'influence des galaxies et des quasars, qui émettent des vents galactiques et des jets de matière (voir les pages « Les galaxies » et « Les trous noirs »). Ces phénomènes modifient sa composition chimique en l'enrichissant en éléments lourds.

Par ailleurs, les galaxies, "attirées" par la gravitation, peuvent fusionner, modifiant ainsi la distribution de la matière dans cet espace.

Ces interactions avec le milieu environnant et ces fusions peuvent chauffer et ioniser le gaz intergalactique, influençant son état physique.

Enfin, l'évolution de l'espace intergalactique est étroitement liée à celle de l'Univers. Au fur et à mesure que l'Univers se dilate, le milieu intergalactique se raréfie, ce qui dilue la matière et l'énergie, affectant sa densité et sa température. (voir les pages "L'expansion de l'univers" et "Le destin du cosmos").