Le mot nébuleuse vient du latin signifiant « nuage » ou « brouillard », et peut être pluralisé en nébuleuses ou nébulae. Cette imprécision convient à l'objet : une nébuleuse est simplement une grande tache lumineuse ou obscurcissante du milieu interstellaire, et elle peut signifier des choses très différentes selon le type que vous regardez.
Certaines nébuleuses sont des régions de formation d'étoiles où le gaz et la poussière s'agglomèrent jusqu'à ce qu'ils s'effondrent en de nouvelles étoiles. D'autres sont les débris laissés par la mort d'une étoile – parfois en douceur, parfois dans une explosion catastrophique. Toute une catégorie porte le nom de planètes bien qu'elle n'ait rien à voir avec les planètes. La physique derrière chaque type est suffisamment différente pour que les astronomes aient dû inventer des noms séparés, des explications séparées et, dans certains cas, attendre des siècles pour déterminer quel type de nébuleuse ils regardaient.
Un nuage sans forme fixe
Les nébuleuses sont souvent des régions de formation d'étoiles : le gaz, la poussière et d'autres matériaux s'agglomèrent en régions plus denses qui attirent de plus en plus de matière jusqu'à devenir assez denses pour former des étoiles. C'est le mécanisme derrière la plupart des nouvelles étoiles qui apparaissent dans une galaxie – elles sont littéralement condensées à partir du propre matériau d'une nébuleuse.
La plupart des nébuleuses sont énormes, certaines s'étendant sur des centaines d'années-lumière. Et contrairement à une planète ou à une étoile, une nébuleuse a rarement un contour net : la plupart des nébuleuses sont classées comme nébuleuses diffuses, ce qui signifie que ce sont des nuages étendus sans limites bien définies. Cette combinaison d'une échelle gigantesque et de bords flous est pourquoi la photographie astrophysique à longue exposition, plutôt qu'un coup d'œil rapide à travers un petit télescope, est ce qui révèle généralement la véritable structure d'une nébuleuse.
Les astronomes les enregistrent depuis presque 2.000 ans
Les nébuleuses ne sont pas une découverte moderne. Autour de 150 apr. J.-C., l'astronome Ptolémée a enregistré cinq étoiles qui semblaient nébuleuses dans les livres VII–VIII de son Almageste – sans aucun moyen de savoir que certaines de ce qu'il décrivait n'étaient pas du tout une étoile, juste une tache de lumière floue au mauvais endroit.
Il a fallu des siècles avant que quelqu'un décrive quelque chose de plus clairement identifiable comme une nébuleuse plutôt qu'un amas d'étoiles. Ce qui a changé le tableau n'était pas seulement le flou diffus, mais la capacité à enregistrer et à recouper les positions détaillées et les descriptions du ciel – le type d'observation systématique qui a permis aux astronomes de distinguer les vraies nuages de gaz de la simple lumière stellaire non résolue.
Nébuleuses qui brillent de leur propre lumière
Les nébuleuses d'émission brillent parce que leur gaz est ionisé par des étoiles proches, plutôt que de refléter la lumière d'un autre. Les étoiles plus chaudes que 25.000 K émettent généralement suffisamment de rayons ultraviolets ionisants, à des longueurs d'onde plus courtes que 91,2 nm, pour rendre les nébuleuses d'émission autour d'elles plus brillantes que les nébuleuses de réflexion. En d'autres termes, la température d'une seule étoile incorporée décide si la nébuleuse autour d'elle brillera de sa propre lumière ou dispersera simplement la lumière empruntée.
Le gaz lui-même n'est pas exotique. La plupart des nébuleuses d'émission sont composées à environ 90% d'hydrogène, le reste étant de l'hélium, de l'oxygène, de l'azote et d'autres éléments. Différents éléments ionisés brillent à différentes longueurs d'onde, c'est pourquoi les images à longue exposition des nébuleuses d'émission sortent souvent en rouge et vert vifs plutôt qu'en une seule couleur uniforme.
Nébuleuses qui n'empruntent que de la lumière
Les nébuleuses de réflexion fonctionnent selon le principe opposé : leur poussière n'est pas assez chaude pour être ionisée, donc elle disperse simplement la lumière des étoiles, comme le brouillard disperse les phares d'une voiture. En 1912, l'astronome Vesto Slipher a analysé le spectre de la nébuleuse autour de l'étoile Merope dans les Pléiades et a conclu que la nébuleuse réfléchissait simplement la lumière de Merope et de l'étoile Alcyone plutôt que de briller de sa propre lumière. C'était une véritable découverte à l'époque – personne n'avait prouvé que la lumière d'une nébuleuse pouvait être entièrement empruntée plutôt qu'auto-générée.
Distinguer les nébuleuses de réflexion des nébuleuses d'émission, en tant que phénomènes physiques séparés avec des causes séparées, est devenue l'une des classifications fondamentales en astronomie nébulaire – et elle dépendait entièrement de la spectroscopie, car les deux types peuvent sembler trompeusement similaires à l'œil nu.
Les nébuleuses que vous ne pouvez pas voir directement
Toutes les nébuleuses ne brillent pas. Dans les nébuleuses sombres, l'extinction de la lumière est causée par les grains de poussière interstellaire dans les parties les plus froides et les plus denses des nuages moléculaires. Plutôt que d'émettre ou de refléter la lumière, une nébuleuse sombre la bloque, apparaissant comme une silhouette noire sur un fond plus lumineux d'étoiles ou de gaz lumineux.
Parce que les nébuleuses sombres sont définies par ce qu'elles bloquent plutôt que par ce qu'elles émettent, les télescopes à lumière visible sont le mauvais outil pour étudier ce qui se trouve réellement à l'intérieur – les astronomes s'appuient plutôt sur des longueurs d'onde que la poussière n'absorbe pas aussi efficacement.
La belle mort d'une étoile semblable au Soleil
Les nébuleuses planétaires se forment à la fin de la vie des étoiles de masse intermédiaire, d'environ 1 à 8 masses solaires – ce qui, notamment, inclut le Soleil. Lorsqu'une étoile comme celle-ci manque de carburant, elle expulse ses couches externes dans l'espace, laissant une coque de gaz lumineux en expansion.
Le nom est un accident historique. « Nébuleuse planétaire » est un terme impropre : ces objets n'ont rien à voir avec les planètes. Le nom vient de leur forme arrondie semblable à une planète vue à travers les premiers télescopes. Les astronomes d'il y a des siècles ne pouvaient simplement pas discerner les détails fins qui leur auraient dit qu'ils ne regardaient pas un autre monde.
Elles sont aussi beaucoup moins substantielles qu'elles ne le semblent. Une nébuleuse planétaire typique fait environ un année-lumière de large et est constituée de gaz extrêmement raréfié, avec une densité généralement entre 100 et 10.000 particules par centimètre cube – un quasi-vide selon n'importe quel standard quotidien, maintenu ensemble uniquement par l'échelle énorme. Environ 3.000 nébuleuses planétaires sont actuellement connues dans la Voie lactée, sur environ 200 milliards d'étoiles dans la galaxie, un rappel que cette phase de la vie stellaire est en réalité très brève par rapport aux milliards d'années qu'une étoile passe sur la séquence principale.
Elles ne sont pas non plus les sphères ordonnées que leur nom pourrait suggérer. Seulement environ 20 % des nébuleuses planétaires sont symétriques en sphère ; le reste a des formes plus complexes et asymétriques, façonnées par des facteurs sur lesquels les astronomes travaillent toujours. Et ce destin n'est pas exotique ou rare – c'est l'avenir du Soleil. Le Soleil lui-même devrait produire une nébuleuse planétaire environ 12 milliards d'années après sa formation, la même fin tranquille qui est déjà arrivée à des milliers d'étoiles similaires à travers la galaxie.
La mort violente d'une étoile géante
Les étoiles beaucoup plus massives que le Soleil ne s'estompent pas doucement – elles explosent, et les débris deviennent un rémanent de supernova. Une explosion de supernova peut expulser la matière stellaire à des vitesses allant jusqu'à 10% de la vitesse de la lumière, ou environ 30.000 km/s, et l'onde de choc résultante chauffe le plasma environnant à des températures bien supérieures à des millions de kelvins. C'est une échelle de violence entièrement différente du lent rejet qui produit une nébuleuse planétaire.
Les rémanents de supernova connus incluent la Nébuleuse du Crabe, Tycho (le rémanent de SN 1572, nommé d'après Tycho Brahe) et Kepler (le rémanent de SN 1604, nommé d'après Johannes Kepler). Chacun est un enregistrement permanent d'une explosion spécifique, dans certains cas une qui était assez brillante pour être remarquée et écrite par des observateurs qui n'avaient aucune idée de ce qu'ils voyaient réellement.
Photographier les Piliers de la Création
Les images modernes de nébuleuses doivent beaucoup aux télescopes spatiaux qui peuvent voir les longueurs d'onde qu'aucun observatoire au sol ne peut atteindre proprement. La fameuse photo des « Piliers de la Création » de structures de gaz et de poussière dans la Nébuleuse de l'Aigle, prise par le Télescope spatial Hubble le 1er avril 1995, montre une région à environ 6.500-7.000 années-lumière de la Terre, et elle reste l'une des images astronomiques les plus reconnaissables jamais prises.
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Les instruments plus récents sont retournés au même objectif avec des yeux différents. L'imagerie infrarouge traverse la poussière que la lumière visible ne peut pas pénétrer, révélant la structure à l'intérieur des piliers que la photographie originale ne pouvait qu'insinuer – une bonne illustration de la façon dont une image emblématique « finale » d'une nébuleuse reste rarement finale longtemps alors que la technologie des télescopes s'améliore.