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Quand le plus grand océan connu n’est pas de ce monde…
LA DÉCOUVERTE D'UN OCÉAN COSMIQUE
Cet article n’est pas sans faire écho à celui qui aborde la découverte d’un sixième océan sous le manteau terrestre de notre planète. Ce dernier n’est en effet pas le seul à avoir été récemment découvert : en novembre 2024, des astronomes ont découvert ce qui constitue à ce jour – en l’état de nos connaissances – le plus grand réservoir d’eau de l’Univers… Et celui-ci se trouve au cœur du cosmos, à 12 milliards d’années-lumière de nous.
L’imaginaire de l’espace dont s’est emparé le cinéma défend surtout l’idée d’un vide terrifiant. C’est ce que propage en particulier l’accroche du film Alien de Ridley Scott, alors qu’elle souligne en guise de menace que « dans l’espace personne ne vous entend crier ». Or, s’il existe de fait dans l’Univers de vastes régions pratiquement dénuées de matière (ce pourquoi les sons ne s’y propagent pas), on trouve cependant aussi de la matière dans les nuages interstellaires, lesquels contiennent des gaz et des poussières en grandes quantités.
Certes, la matière y est beaucoup moins condensée (de l’ordre de dizaines de milliards d’atomes par mètre cube alors que notre atmosphère en compte, elle, des millions de milliards de milliards), toutefois l’étendue de ces nuages sur des centaines d’années-lumière leur fait parfois contenir plusieurs milliers de fois la masse de notre Soleil en matière gazeuse. Si bien qu’ils constituent le milieu d’où naissent concrètement les systèmes stellaires sous l’effet de la gravité, lorsque la densité tend à s’accroître.
Dans cet esprit, il faut songer que l’Univers est aussi aquatique, comme l’atteste la découverte de cet océan cosmique qui contient 140 billions de fois plus d’eau que tous nos océans terrestres. Si bien que l’on est invité à repenser la place de l’eau dans l’ordre de l’Univers, puisqu’elle est loin d’être une matière dont notre planète aurait la jouissance exclusive, et qui pourrait jouer un rôle clef dans le théâtre cosmique.
1 Un quasar colossal pour île
Ce réservoir d’eau aux proportions galactiques est lié à ce qu’on appelle en astrophysique un « quasar » : mot valise pour désigner une source de rayonnement quasi-stellaire (issu de l’anglais « quasi-stellar radiosource »). Il s’agit d’une entité extrêmement lumineuse qui correspond à une région compacte, souvent un disque de gaz chaud qui tournoie autour d’un Trou noir supermassif au centre d’une galaxie particulièrement lumineuse (que l’on appelle dans le jargon de l’astrophysique un « noyau actif de galaxie »).
Ces astres particulièrement distants apparaissent ainsi aux télescopes comme des étoiles très brillantes. Les astrophysiciens s’accordent en particulier à penser que leur prodigieuse énergie provient de l’accrétion de la matière sous la gravité créée par leurs Trous noirs supermassifs et en rotation, lesquels peuvent contenir des millions à des milliards de fois la masse de notre Soleil.
Le quasar impliqué dans la découverte de cet océan cosmique répond au nom fort peu poétique d’APM 08279+5255, que l’on observe depuis la Terre dans la constellation du Lynx. Il s’agit d’un véritable monstre alors qu’il abrite en son milieu un Trou noir d’une taille vertigineuse : sa masse est en effet estimée à 20 milliards de fois celle du Soleil, et son énergie libérée à celle de mille billions de soleils.
Mais ce n’est pas tant sa taille qui le rend si singulier (estimée à plusieurs centaines d’années-lumière) que surtout les propriétés de son immense réservoir d’eau. Car celui-ci présente des caractéristiques différentes des environnements interstellaires habituels :
- sa densité est en effet 10 à 100 fois supérieure à la moyenne dans l’Univers
- sa température de -63°C se révèle cinq fois plus chaude que la moyenne galactique.
Qui plus est, la taille de ce réservoir gazeux pourrait alimenter le Trou noir jusqu’à lui faire atteindre 6 fois sa taille actuelle.
La singularité de cet environnement est liée à deux facteurs. D’une part, le milieu interstellaire autour du quasar est unique, comme le souligne le chercheur Matt Bradford, en regard de sa « capacité à produire cette énorme masse d’eau ». D’autre part, les propriétés de cet environnement sont le résultat de l’intense rayonnement X et infrarouge émis par le quasar lui-même (on peut rappeler ici que l’eau est une matière très sensible aux infrarouges).
2 Détecter l’eau dans l’Univers
La question qui se pose d’emblée, alors que l’homme ne peut voyager bien loin dans l’espace, est comment peut-on connaître l’existence d’une masse d’eau aussi éloignée, dans une autre galaxie à 12 milliards d’années-lumière de nous ? Précisons en effet ici que cette distance signifie qu’on ne pourrait atteindre ce quasar qu’à condition de voyager à la vitesse de la lumière (qui est une limite absolue de l’Univers) pendant 12 milliards d’années…
La détection de cette masse d’eau – comme de toute trace d’eau dans l’espace – est liée au fonctionnement des « masers astrophysiques » : des sources spontanées de rayonnements à émission stimulée dont les fréquences se situent le plus souvent dans le spectre des micro-ondes. Ces émissions se produisent dans le contexte d’une comète, d’un nuage moléculaire, d’une atmosphère planétaire, stellaire voire interstellaire (comme un quasar).
Or, l’eau, comme toute molécule, émet un rayonnement propre, et réciproquement absorbe des longueurs d’onde spécifiques lorsqu’elle est exposée à des rayonnements. Aussi ses spectres d’émission et d’absorption sont-ils des signatures de sa présence, lesquels diffèrent selon sa phase (gazeuse, liquide ou solide).
Dès lors, la méthode la plus concluante pour détecter la présence d’eau dans l’espace est la spectrométrie d’absorption : une méthode qui mesure l’intensité du rayonnement électromagnétique qu’une matière absorbe à des longueurs d’onde différentes. L’analyse du spectre lumineux d’une source peut ainsi révéler tant sa composition que sa température, voire même la matière qui interfère avec.
En particulier, la glace présente une signature spectrale dans l’infrarouge à 3,1 μm ; aussi a-t-on pu mettre en évidence la présence d’eau à l’état de glace tant à la périphérie qu’à la surface d’étoiles de température peu élevée.
Le procédé peut paraître ésotérique, mais il est suffisamment précis pour que l’on soit capable de distinguer à très longues distances les molécules d’eau « ortho » et « para » (voire à ce sujet l’article sur les aspects scientifiques méconnus de l’eau), dont la différence subtile réside au niveau du spin des atomes d’hydrogène.
C’est également grâce aux masers à eau présents au sein de la Voie lactée que l’on a pu mesurer avec une précision la distance qui sépare notre planète du centre de notre galaxie.
3 Un Univers « aquatique »
À l’aune de ces outils de détection, il s’avère que l’eau est un élément plutôt abondant dans le cosmos – en raison pour une large part à la prévalence de l’hydrogène, qui représente 90% des atomes dans l’Univers.
À ce titre, l’océan stellaire gravitant autour du quasar APM 08279+5255 n’est pas l’unique réservoir d’eau que l’on a répertorié aujourd’hui : la nébuleuse d’Orion abrite aussi de la vapeur d’eau et de la glace, de même que les disques protoplanétaires qui gravitent autour de l’étoile PDS70, sans compter les corps célestes comme les comètes, les astéroïdes et certaines exoplanètes…
Toutefois, c’est principalement sous forme de glace et de vapeur qu’on la trouve ; car la phase liquide exige des conditions de température et de pression très spécifiques, qui ne se trouvent presque jamais réunies – hormis sur certaines planètes. Réciproquement, les conditions pour pouvoir arborer de l’eau liquide en surface (condition de la vie sur un autre monde) définissent les limites de la « zone habitable circumstellaire » : une bande sphérique autour d’une étoile où la température à la surface des planètes favoriserait l’apparition de l’eau liquide.
Pour autant, les astrophysiciens envisagent aujourd’hui l’existence de planètes-océans recouvertes entièrement ou presque d’eau. S’il s’agit à l’heure actuelle d’astres hypothétiques alors que nos télescopes ne peuvent encore analyser la surface des exoplanètes, plusieurs ont été identifiées comme de potentiels candidats au titre de planète-océan, dont :
- GJ 1214 b (surnommé Enaiphosta) découverte en 2009 et dont la densité suggère qu’elle serait composée à 75% d’eau et à 25% de roche et de métal
- ou encore LHS 1140 b découverte en 2017.
Le récit privilégié à leur égard est celui d’une super-Terre dotée d’un vaste manteau de glace qui, en migrant à proximité de son étoile, aurait fait fondre ce manteau en entraînant la formation d’un immense océan liquide.
Cela étant, une récente étude suggère que la Terre a sans doute été pour une période une planète de ce type : constituée essentiellement d’eau et de micro-continents. En posant en retour la question de savoir comment avec le temps nos continent actuels bien plus vastes ont pu apparaître…
4 L’eau, une matière stellaire
Si l’eau est si abondante dans l’Univers, d’où vient-elle ? On l’a évoqué dans un précédent article (voir notre article sur l’enjeu vital de bien s’hydrater), l’eau doit son existence aux réactions prodigieuses de nucléosynthèse qui ont lieu au cœur même des étoiles.
Les réactions thermonucléaires qui ont lieu en leur cœur provoquent en effet l’addition de protons et de neutrons aux atomes d’hydrogène (l’atome le plus simple qui existe et le combustible principal des étoiles). C’est cette addition qui façonne tous les atomes connus : d’abord l’hélium lors de la séquence principale qui définit la majeure partie de l’existence des étoiles, puis les autres éléments plus lourds vers la fin de leur existence (principalement tous ceux contenus entre le lithium et le fer), jusqu’à l’uranium.
Plus précisément, la fusion de trois noyaux d’hélium (issu chacun de la fusion de deux atomes d’hydrogène) provoque la formation d’un atome de carbone. Celui-ci est le constituant clef pour créer l’oxygène, puisqu’il suffit de lui ajouter un atome d’hélium pour atteindre le bon nombre de protons et de neutrons dans son noyau.
L’eau toutefois ne peut se former qu’à des températures spécifiques : entre 3000 et 4000 degrés kelvin. C’est pourquoi, la molécule d’eau ne peut naître qu’à la surface relativement froide des Géantes rouges – des étoiles qui entament la fusion de l’hélium sous leur effondrement gravitationnel, ce qui provoque une dilatation considérable de leur couches extérieures en les refroidissant (et en provoquant leur couleur rouge).
Au terme de leur existence, les Géantes rouges sont vouées à exploser en supernovae, et ce faisant à projeter à travers l’espace toute l’eau formée à leur surface, principalement sous forme de gaz.
En explosant, les supernovae projettent également des atomes d’oxygène en quantités importantes, lesquels peuvent provoquer spontanément la formation de vapeur d’eau en milieu interstellaire par la rencontre avec d’autres atomes d’hydrogène par le biais de simples réactions chimiques en phase gazeuse, ou par simple condensation dans les régions plus froides du cosmos (à l’abri des rayonnements ultra-violets trop violents).
5 Aux premiers jours, Dieu créa l’eau …
Dans la cosmogonie biblique étonnamment, la création de l’eau ou, plus précisément, la séparation ésotérique « des eaux d’avec les eaux » (qui conduit à la création de « l’étendue », qui désigne le ciel) et à la formation de ce qui correspond aux mers, a lieu au troisième jour :
- après la création des cieux et de la terre,
- et après la séparation du jour et des ténèbres.
Alors que la création des astres – tant du soleil et de la lune, que des autres étoiles – n’apparaît, elle, qu’au quatrième jour.
Or, cette antériorité mythologique de l’eau sur les étoiles qu’envisage l’Ancien Testament n’est pas sans faire écho, aujourd’hui, à l’hypothèse défendue par de récentes simulations. Selon celles-ci, les toutes premières molécules d’eau seraient apparues bien plus tôt dans l’Univers que ce que l’on croyait : seulement 100 à 200 millions d’années après le Big Bang (l’événement à partir duquel le temps aurait commencé) plutôt qu’un milliard d’années. Soit avant même l’émission du fonds diffus cosmologique !
Cette eau proviendrait en particulier de l’implosion de supernovae fréquentes dans les premiers temps de l’Univers : des astres extrêmement massifs et lumineux, qui auraient éjecté de grandes quantités d’oxygène. Si bien que l’eau apparaît comme un ingrédient crucial des origines cosmiques de la vie, puisque sa présence précoce en fait alors un composant décisif dans la formation des premières galaxies qui structurent l’Univers tel qu’on le connaît.
Réciproquement, il paraît probable que des planètes propices à la vie ont pu se former très tôt dans l’histoire de l’Univers. Il ne s’agit toutefois que d’hypothèses issues de simulations numériques ; aussi la quête d’une preuve de cette eau primitive est à défi à réaliser : soit un bruit de fond constitué par une sorte de nuage de vapeur d’eau qui aurait été émis alors. Cependant, la découverte de cet océan galactique autour de ce quasar confirme justement la prévalence de l’eau dans l’Univers, et ce même aux époques les plus reculées.
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Au terme de cet article sur la découverte d’un océan aux proportions galactiques à des milliards d’années-lumière de nous, il apparaît que celle-ci ne fait que prolonger une révolution dans notre perception de notre place dans le cosmos : révolution entamée par les recherches de Copernic en nous décentrant de l’axe de l’Univers autour duquel les astres étaient censés graviter.
Car il y a en effet un imaginaire autour de la perspective que notre planète bleue est résolument unique dans l’Univers – imaginaire alimenté par exemple par un film comme Ad Astra qui dépeint un Univers absolument vide et stérile, à l’exception de la Terre – et qui vient perpétuer une forme inconsciente de géocentrisme. Or, la découverte du quasar APM 08279+5255 s’inscrit dans la modélisation nouvelle et surprenante d’un Univers plus humide qu’on ne l’avait pensé jusqu’à présent.
Pour autant, si la détection de ce titanesque océan stellaire marque une étape décisive dans la représentation et la compréhension d’un Univers aquatique, la cosmologie qui étudie le rôle de l’eau demeure une science encore balbutiante, laquelle s’appuie sur davantage d’hypothèses à vérifier que de certitudes bien établies. Cette découverte induit ainsi de nouvelles questions touchant à la formation et l’évolution des structures cosmiques, en dessinant l’ébauche de ce qui s’apparente à un « destin aqueux » de l’Univers.
Ainsi la recherche de l’eau interstellaire est un des objectifs des futures missions spatiales et d’observations, car ce destin qui s’opère à des échelles prodigieuses repose sur des lois qui échappent encore à l’intellection. Aussi est-il un des mystères qu’il reste à résoudre pour comprendre l’Univers ; et aussi l’eau n’a-t-elle toujours pas fini d’étonner dans son rôle intime avec l’émergence (inéluctable ?) de la vie…
