Quel est l’endroit le plus froid de l’Univers ?

Imaginez l’endroit le plus froid possible. À l’intérieur, les particules qui composent la matière se déplacent aussi lentement que vous pouvez l’imaginer, approchant la limite quantique de ce que signifie être vraiment au repos. Il n’y aura pas de sources de chaleur intérieures majeures à proximité pour que ces particules à l’intérieur puissent être absorbées ; il n’y aura pas de sources d’énergie extérieures importantes les réchauffant de l’extérieur.

Physiquement, cela signifie que vous devez être aussi loin que possible de toutes les sources de particules en mouvement et de rayonnement. Vous voudriez être à une distance aussi grande que possible des étoiles, des galaxies et des nuages ​​​​de gaz en contraction. Vous voudriez filtrer toutes les sources externes de photons. Si vous vous dirigiez vers les recoins les plus profonds de l’espace intergalactique, à l’abri de la lumière des étoiles, la seule chose qui vous réchaufferait serait la lueur résiduelle du Big Bang : le fond cosmique des micro-ondes à 2,725 K. Et pourtant, notre propre galaxie a une place – le Nébuleuse du Boomerang – c’est encore plus froid que ça.

Vues visibles (à gauche) et infrarouges (à droite) du globule de Bok riche en poussière, Barnard 68. Il a une température inférieure à 20 K, c’est pourquoi il reste invisible à la fois dans le visible et dans le proche infrarouge, mais c’est encore assez chaud par rapport aux températures du fond diffus cosmologique.

(Crédit : ESO)

Partout où vous allez dans l’Univers, il y a des sources de chaleur auxquelles il faut faire face. Plus vous êtes loin d’eux, plus il fait froid. À une distance de 93 millions de miles du Soleil, la Terre est maintenue à un modeste ~ 300 K, une température qui serait près de 50º plus froide sans notre atmosphère.

Éloignez-vous et le Soleil devient progressivement de moins en moins capable de chauffer les choses. Pluton, par exemple, n’est qu’à 44 K : suffisamment froid pour que l’azote liquide gèle.

Et nous pouvons aller dans un endroit encore plus isolé, comme l’espace interstellaire, où les étoiles les plus proches sont à des années-lumière, et trouver des endroits dans l’Univers, même dans notre propre arrière-cour relativement proche, qui sont considérablement plus froids.

La nébuleuse de l’Aigle, célèbre pour sa formation continue d’étoiles, contient un grand nombre de globules de Bok, ou nébuleuses sombres, qui ne se sont pas encore évaporées et travaillent à s’effondrer et à former de nouvelles étoiles avant qu’elles ne disparaissent complètement. Alors que l’environnement extérieur de ces globules peut être extrêmement chaud, l’intérieur peut être protégé des radiations et atteindre des températures très basses.

(Crédit : ESA / Hubble et NASA)

Il y a des nuages ​​moléculaires froids qui errent, isolés, dans toute la galaxie. En termes de température, ils sont encore plus froids que les mondes les plus éloignés que nous pouvons trouver dans notre système solaire : juste 10 K à 20 K au-dessus du zéro absolu.

Comme les étoiles, les supernovae, les rayons cosmiques, les vents stellaires et bien plus fournissent tous de l’énergie à la galaxie dans son ensemble, il est difficile de faire beaucoup plus froid que cela dans la Voie lactée. Ce n’est que dans l’espace intergalactique, à des millions d’années-lumière des étoiles les plus proches, que le fond diffus cosmologique sera la seule source de chaleur qui compte. Après tout, le Big Bang s’est produit partout dans l’espace en même temps, et le rayonnement qui en reste se propage simplement, de manière omnidirectionnelle, à la vitesse de la lumière. Au fur et à mesure que l’Univers s’étend, ce rayonnement se refroidit, mais nous pouvons encore le voir aujourd’hui, car il arrive à nos yeux après un voyage d’environ 13,8 milliards d’années à travers le temps et l’espace.

Si nous pouvions voir la lumière des micro-ondes, le ciel nocturne ressemblerait à l’ovale vert à une température de 2,7 K, avec le “bruit” au centre contribué par des contributions plus chaudes de notre plan galactique. Ce rayonnement uniforme, avec un spectre de corps noir, est la preuve de la lueur résiduelle du Big Bang : le fond diffus cosmologique.

(Crédit : NASA / Équipe scientifique WMAP)

À moins de 3 ºC (5 ºF) au-dessus du zéro absolu, ces photons à peine détectables sont la seule source de chaleur autour. Étant donné que chaque endroit de l’Univers est constamment bombardé par ces photons infrarouges, micro-ondes et radio, vous pourriez penser que 2,725 K est le plus froid que vous puissiez avoir dans la nature. Pour faire l’expérience de quelque chose de plus froid, il faudrait attendre que l’Univers se dilate davantage, étire les longueurs d’onde de ces photons et se refroidisse à une température encore plus basse.

Cela arrivera, bien sûr, avec le temps. Lorsque l’Univers sera deux fois plus vieux qu’il ne l’est aujourd’hui – dans 13,8 milliards d’années – la température sera à peine supérieure d’un degré au zéro absolu. Mais il y a un endroit que vous pouvez regarder, en ce moment, qui est plus froid que même les profondeurs les plus profondes de l’espace intergalactique.

endroit le plus froid de l'univers

La nébuleuse Boomerang est une jeune nébuleuse planétaire encore en formation, et aussi l’endroit le plus froid connu dans l’Univers jusqu’à présent.

(Crédit : ESA / NASA)

Vous n’avez même pas besoin d’aller dans un endroit spécial ! Il s’agit de la nébuleuse Boomerang, située à seulement 5 000 années-lumière dans notre propre galaxie. En 1980, lorsqu’elle a été observée pour la première fois depuis l’Australie, elle ressemblait à une nébuleuse asymétrique à deux lobes, d’où son nom de “Boomerang”. De meilleures observations nous ont montré cette nébuleuse pour ce qu’elle est vraiment : une nébuleuse préplanétaire, qui est une étape intermédiaire dans la vie d’une étoile mourante semblable au Soleil.

Toutes les étoiles semblables au Soleil évolueront en géantes rouges et finiront leur vie dans une combinaison nébuleuse planétaire / naine blanche, où les couches externes sont soufflées et le noyau central se contracte jusqu’à un état chaud et dégénéré. Mais entre les phases de géante rouge et de nébuleuse planétaire, il y a la phase de nébuleuse préplanétaire.

La nébuleuse préplanétaire IRAS 2006 + 84051 est plus chaude que la nébuleuse du Boomerang, mais, comme la nébuleuse du Boomerang, représente une phase intermédiaire entre une géante rouge et l’éventuel stade de nébuleuse planétaire/naine blanche.

(Crédit : ESA / Hubble et NASA)

Avant que la température interne de l’étoile ne se réchauffe, mais après le début de l’expulsion des couches externes, nous obtenons une nébuleuse préplanétaire. Parfois dans une sphère, mais plus souvent dans deux jets bipolaires, les éjectas sortent du voisinage local de l’étoile, s’étendant au-delà du système stellaire lui-même, et bien dans le milieu interstellaire.

Cette phase est de courte durée : elle ne dure que quelques milliers d’années.

Il n’y a qu’une dizaine d’étoiles qui se trouvent dans cette phase. Mais la nébuleuse du Boomerang est spéciale parmi eux. Son gaz est expulsé environ dix fois plus vite que la normale : se déplaçant à environ 164 km/s. Il perd sa masse à un rythme plus élevé que la normale : environ deux Neptune de matière chaque année. Et à la suite de tout cela, c’est l’endroit naturel le plus froid de l’Univers connu, avec certaines parties de la nébuleuse arrivant à seulement 0,5 K : un demi-degré au-dessus du zéro absolu, ce qui peut être mesuré avec une lumière à très longue longueur d’onde.

endroit le plus froid de l'univers

Une vue en longueur d’onde millimétrique de la nébuleuse du Boomerang, avec des données radio superposées sur une vue en lumière visible pâle de cette région de l’espace.

(Crédit : NRAO / AUI / NSF / NASA / STScI / JPL-Caltech)

Toutes les autres nébuleuses planétaires et préplanétaires sont beaucoup, beaucoup plus chaudes que cela, mais la physique sous-jacente est parmi les plus simples à comprendre. Inspirez profondément, maintenez-la pendant trois secondes, puis relâchez-la. Vous pouvez le faire de deux manières différentes, en tenant votre main à environ 6″ (15 cm) de votre bouche les deux fois.

  1. Expirez avec la bouche grande ouverte et vous sentirez l’air chaud souffler doucement sur votre main.
  2. Expirez avec vos lèvres plissées, en faisant une petite ouverture, et ce même air est froid.

Dans les deux cas, l’air de votre corps a été réchauffé et reste à cette température élevée jusqu’à ce qu’il passe vos lèvres. Avec la bouche grande ouverte, il sort simplement lentement, réchauffant légèrement votre main. Mais avec seulement une petite ouverture, l’air se dilate rapidement – ce que nous appelons adiabatiquement en physique – et se refroidit en même temps.

Expirer avec force avec la bouche très, très légèrement ouverte provoquera un refroidissement extrêmement rapide de l’air. La petite ouverture fait que l’air expulsé se dilate d’un volume initialement petit à un grand volume très rapidement : un exemple d’expansion adiabatique.

(Crédit : Pezibear / Pixabay)

Les couches externes de l’étoile qui donne naissance à la nébuleuse Boomerang possèdent toutes ces mêmes conditions :

  • une grande quantité de matière chaude,
  • étant éjecté incroyablement rapidement,
  • à partir d’un tout petit point (ou, plus techniquement, de deux points),
  • qui a tout l’espace qu’il pourrait demander pour s’agrandir et se rafraîchir.

En conséquence, à mesure que la matière émise par la nébuleuse du boomerang s’étend plus loin dans le milieu qui l’entoure, elle se dilate et se refroidit, et se refroidit beaucoup plus rapidement que le rayonnement environnant, y compris d’autres étoiles et du fond cosmique des micro-ondes, ne peut le réchauffer. Il ne restera pas éternellement à ces températures froides, mais pour l’instant, il fait nettement plus froid que les 2,725 K qui définissent la température minimale effective pour tout le reste de l’Univers.

nébuleuse planétaire

La nébuleuse de l’œuf, telle qu’elle est représentée ici par Hubble, est une nébuleuse préplanétaire, car ses couches externes n’ont pas encore été chauffées à des températures suffisantes par l’étoile centrale qui se contracte. Bien que similaire à bien des égards à la nébuleuse du Boomerang, elle est à une température beaucoup plus élevée.

(Crédit : NASA et Hubble Heritage Team (STScI / AURA), Hubble Space Telescope / ACS)

Ce qui est étonnant avec la nébuleuse du Boomerang, c’est que les propriétés mêmes qu’elle possède ont été prédites avant sa découverte !

L’astronome Raghvendra Sahai a calculé que les nébuleuses préplanétaires avec juste les bonnes conditions – celles décrites ci-dessus – pourraient en fait atteindre une température plus froide que tout ce qui se produit naturellement dans l’Univers. Sahai faisait alors partie de l’équipe en 1995 qui a fait les observations critiques à grande longueur d’onde qui ont déterminé la température de la nébuleuse du Boomerang, et a trouvé précisément ce qui avait été prédit : des températures inférieures à tout autre phénomène naturel.

À ce jour, en 2022, la nébuleuse du Boomerang est toujours l’endroit naturel le plus froid de l’univers.

endroit le plus froid de l'univers

Une carte de température à code couleur de la nébuleuse du Boomerang et des zones qui l’entourent. Les zones bleues, qui se sont le plus étendues, sont les plus froides et les plus basses en température.

(Crédit : télescope ESO / NTT ; R. Sahai (JPL) / L. Nyman (ESO))

Il ne fait aucun doute qu’à l’heure actuelle, de tous les endroits que nous ayons jamais mesurés, la nébuleuse du Boomerang possède les températures naturelles les plus froides de tout l’Univers. La cause est l’expansion adiabatique, provoquée par l’expulsion rapide de la matière dans un environnement où elle peut se dilater de manière relativement libre.

En ce qui concerne la raison pour laquelle la nébuleuse Boomerang éjecte toute cette matière si rapidement et de manière si collimatée, cependant, c’est un domaine de recherche controversé et très actif. Jusqu’à présent, la nébuleuse du Boomerang est la seule nébuleuse préplanétaire que nous ayons capturée dans une phase où sa température est tombée en dessous de celle de la rémanence du Big Bang. Cependant, il n’y a aucun moyen que ce soit le seul exemple de ce genre qui se produise.

Il y a probablement un endroit encore plus froid que ce que nous avons découvert jusqu’à présent. Nous devons simplement continuer à chercher. Et qui sait? Peut-être qu’un jour, l’étoile au centre de notre système solaire – le Soleil – fera une pause qui enregistrera elle-même, et les restes de notre propre système solaire deviendront probablement, pendant un court instant, l’endroit le plus froid absolu de l’Univers !

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