Vue d'artiste de l'observatoire spatial Herschel avec ses observations de la formation d'étoiles dans la nébuleuse de la rosette en arrière-plan.
(Image: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, écrivain et éditeur de la Fondation Kavli, a contribué cet article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de Space.com.
Des voyages de camping fortuits à l'établissement d'un consensus international sur les observatoires à gros budget, la lauréate du prix Kavli 2018 discute de son parcours personnel et professionnel dans le domaine de l'astrochimie.
L'ESPACE N'EST PAS TOUT UN TEL ENDROIT BARREN. Les galaxies regorgent de nuages poussiéreux contenant de riches ragoûts de molécules, allant du simple hydrogène gazeux aux substances organiques complexes essentielles au développement de la vie. Comprendre comment tous ces ingrédients cosmiques se mélangent dans la formation des étoiles et des planètes a été l'œuvre de la vie d'Ewine van Dishoeck.
Chimiste de formation, van Dishoeck a rapidement tourné ses yeux vers le cosmos. Elle a ouvert la voie à de nombreuses avancées dans le domaine émergent de l'astrochimie, exploitant les derniers télescopes pour révéler et décrire le contenu de vastes nuages étoilés. En parallèle, van Dishoeck a poursuivi des expériences de laboratoire et des calculs quantiques sur terra firma pour comprendre la décomposition des molécules cosmiques par la lumière des étoiles, ainsi que les conditions dans lesquelles les nouvelles molécules s'empilent comme des briques Lego. [8 mystères déroutants de l'astronomie]
"Pour ses contributions combinées à l'astrochimie observationnelle, théorique et en laboratoire, élucidant le cycle de vie des nuages interstellaires et la formation d'étoiles et de planètes", van Dishoeck a reçu le prix Kavli 2018 en astrophysique. Elle n'est que la deuxième lauréate dans n'importe quel domaine à avoir été distinguée comme seule récipiendaire du prix au cours de son histoire.
Pour en savoir plus sur sa carrière révolutionnaire en astrochimie et les prochaines étapes dans le domaine, la Fondation Kavli a parlé avec van Dishoeck de son bureau de l'Observatoire de Leiden à l'Université de Leiden aux Pays-Bas, juste avant qu'elle assiste à un barbecue pour le personnel. Van Dishoeck est professeur d'astrophysique moléculaire et président élu de l'Union astronomique internationale (AIU).
Ce qui suit est une transcription révisée de la table ronde. Van Dishoeck a eu la possibilité de modifier ou de modifier ses remarques.
LA FONDATION KAVLI: Que nous dit l'astrochimie sur nous-mêmes et sur l'univers dans lequel nous vivons?
EWINE VAN DISHOECK: L'histoire globale racontée par l'astrochimie est, quelle est notre origine? D'où venons-nous, comment avons-nous été construits? Comment notre planète et notre soleil se sont-ils formés? Cela nous amène finalement à essayer de découvrir les éléments de base du soleil, de la Terre et de nous. C'est comme Legos - nous voulons savoir quelles pièces se trouvaient dans le jeu de construction Lego pour notre système solaire.
Les éléments constitutifs les plus élémentaires sont bien sûr les éléments chimiques, mais la façon dont ces éléments se combinent pour créer de plus grands éléments constitutifs - des molécules - dans l'espace est cruciale pour comprendre comment tout le reste est né.
TKF: Vous et d'autres chercheurs avez identifié plus de 200 de ces éléments moléculaires dans l'espace. Comment le domaine a-t-il évolué au cours de votre carrière?
EVD: Dans les années 1970, nous avons commencé à découvrir que des molécules très inhabituelles, comme les ions et les radicaux, étaient relativement abondantes dans l'espace. Ces molécules manquent ou ont des électrons non appariés. Sur Terre, ils ne persistent pas longtemps car ils réagissent rapidement avec toute autre matière qu'ils rencontrent. Mais parce que l'espace est si vide, les ions et les radicaux peuvent vivre pendant des dizaines de milliers d'années avant de se cogner sur quoi que ce soit.
Maintenant, nous nous dirigeons vers l'identification des molécules présentes au cœur même des régions où se forment de nouvelles étoiles et planètes, en ce moment même. Nous sommes passés à repérer des ions et des radicaux isolés vers des molécules plus saturées. Il s'agit notamment des molécules organiques [contenant du carbone] sous les formes les plus simples, comme le méthanol. À partir de ce bloc de base de méthanol, vous pouvez accumuler des molécules comme le glycolaldéhyde, qui est un sucre, et l'éthylène glycol. Les deux sont des molécules "prébiotiques", ce qui signifie qu'elles sont nécessaires à la formation éventuelle de molécules de la vie.
Là où le domaine de l'astrochimie évolue ensuite, il ne faut pas faire l'inventaire des molécules et essayer de comprendre comment ces différentes molécules se forment. Nous essayons également de comprendre pourquoi nous pourrions trouver de plus grandes quantités de certaines molécules dans certaines régions cosmiques par rapport à d'autres types de molécules.
TKF: Ce que vous venez de dire me fait penser à une analogie: l'astrochimie consiste désormais moins à trouver de nouvelles molécules dans l'espace - un peu comme des zoologistes à la recherche de nouveaux animaux dans la jungle. Le domaine est maintenant plus sur «l'écologie» de la façon dont ces animaux moléculaires interagissent, et pourquoi il y en a tellement d'un certain type ici dans l'espace, mais si peu là-bas, et ainsi de suite.
EVD: Voilà une bonne analogie! Alors que nous commençons à comprendre la physique et la chimie de la formation des étoiles et des planètes, une partie importante consiste à comprendre pourquoi certaines molécules sont abondantes dans certaines régions interstellaires, mais sont "éteintes", tout comme les animaux, dans d'autres régions.
Si nous continuons votre métaphore, il existe en effet de nombreuses interactions intéressantes entre les molécules qui peuvent être assimilées à l'écologie animale. Par exemple, la température est un facteur déterminant dans le comportement et les interactions des molécules dans l'espace, qui affecte également l'activité des animaux et leur lieu de vie, etc.
TKF: Pour en revenir à l'idée des blocs de construction, comment fonctionne exactement le processus de construction en astrochimie?
EVD: Un concept important dans la construction de molécules dans l'espace est celui que nous connaissons de la vie quotidienne ici sur Terre, appelé transitions de phase. C'est à ce moment qu'un solide se transforme en liquide, ou qu'un liquide s'évapore en gaz, et ainsi de suite.
Maintenant dans l'espace, chaque molécule a sa propre "ligne de neige", qui est la division entre une phase gazeuse et une phase solide. Ainsi, par exemple, l'eau a une ligne de neige, où elle passe du gaz à la glace d'eau. Je dois souligner que les formes liquides d'éléments et de molécules ne peuvent pas exister dans l'espace parce qu'il y a trop peu de pression; l'eau peut être liquide sur Terre à cause de la pression de l'atmosphère de la planète.
De retour aux lignes de neige, nous découvrons maintenant qu'elles jouent un rôle très important dans la formation des planètes, contrôlant une grande partie de la chimie. L'un des blocs de construction Lego les plus importants, pour ainsi dire, que nous avons trouvés est le monoxyde de carbone. Nous connaissons le monoxyde de carbone sur Terre, car il est produit par combustion, par exemple. Mes collègues et moi avons démontré dans le laboratoire de Leiden que le monoxyde de carbone est le point de départ pour fabriquer de nombreux composés organiques plus complexes dans l'espace. Le monoxyde de carbone qui gèle d'un gaz à une phase solide est une première étape cruciale pour ensuite ajouter des blocs de construction Lego d'hydrogène. Cela vous permet de continuer à construire des molécules de plus en plus grosses comme le formaldéhyde [CH2O], puis du méthanol, sur du glycolaldéhyde comme nous en avons discuté, ou vous pouvez même aller vers des molécules plus complexes comme le glycérol [C3H8O3].
Ce n'est qu'un exemple, mais cela vous donne une idée de la façon dont un processus de construction se déroule en astrochimie.
TKF: Vous venez de mentionner votre laboratoire à l'Observatoire de Leiden, le Laboratoire Sackler d'astrophysique, que je comprends a une distinction comme le premier laboratoire d'astrophysique. Comment est-ce arrivé et qu'avez-vous accompli là-bas?
EVD: C'est vrai. Mayo Greenberg, un astrochimiste pionnier, a commencé le laboratoire dans les années 1970 et c'était vraiment le premier de son genre pour l'astrophysique dans le monde. Il a pris sa retraite et j'ai continué le laboratoire. Je suis finalement devenu directeur de ce laboratoire au début des années 1990 et je l'ai occupé jusqu'en 2004, date à laquelle un collègue a pris la direction. Je continue de collaborer et de mener des expériences là-bas.
Ce que nous avons réussi à réaliser en laboratoire, ce sont les conditions extrêmes de l'espace: sa froideur et son rayonnement. Nous pouvons reproduire les températures dans l'espace jusqu'à 10 degrés kelvin [moins 442 degrés Fahrenheit; moins 260 degrés Celsius], ce qui est juste un tout petit peu au-dessus du zéro absolu. Nous pouvons également recréer le rayonnement ultraviolet intense dans la lumière des étoiles auquel les molécules sont soumises dans les régions de formation de nouvelles étoiles. [Star Quiz: Testez votre intelligence stellaire]
Mais là où nous échouons, c'est à reproduire le vide de l'espace, le vide. Nous considérons un vide ultra-élevé en laboratoire comme ayant de l'ordre de 108 à 1010 [cent millions à dix milliards] de particules par centimètre cube. Ce que les astronomes appellent un nuage dense, où se produisent la formation d'étoiles et de planètes, n'en a qu'environ 104, soit environ 10 000 particules par centimètre cube. Cela signifie qu'un nuage dense dans l'espace est encore un million de fois plus vide que ce que nous pouvons faire de mieux en laboratoire!
Mais cela fonctionne finalement à notre avantage. Dans le vide extrême de l'espace, la chimie que nous voulons comprendre évolue très, très lentement. Cela ne fonctionnera tout simplement pas en laboratoire, où nous ne pouvons pas attendre 10 000 ou 100 000 ans pour que les molécules se heurtent et interagissent. Au lieu de cela, nous devons être capables de faire la réaction en une journée pour apprendre quoi que ce soit sur les échelles de temps d'une carrière en sciences humaines. Nous accélérons donc tout et pouvons traduire ce que nous voyons en laboratoire à des échelles de temps beaucoup plus longues dans l'espace.
TKF: En plus des travaux de laboratoire, au cours de votre carrière, vous avez utilisé une gamme de télescopes pour étudier des molécules dans l'espace. Quels instruments ont été essentiels à votre recherche et pourquoi?
EVD: Les nouveaux instruments ont été cruciaux tout au long de ma carrière. L'astronomie est vraiment guidée par les observations. Avoir des télescopes toujours plus puissants dans de nouvelles longueurs d'onde de lumière, c'est comme regarder l'univers avec des yeux différents.
Pour vous donner un exemple, à la fin des années 80, je suis revenu aux Pays-Bas lorsque le pays était fortement impliqué dans l'observatoire spatial infrarouge, ou ISO, une mission dirigée par l'Agence spatiale européenne [ESA]. J'ai eu beaucoup de chance que quelqu'un d'autre ait fait le travail acharné pendant 20 ans pour faire de ce télescope une réalité et je pourrais l'utiliser avec plaisir! L'ISO était très important car il ouvrait le spectre infrarouge où nous pouvions voir toutes ces signatures spectrales, comme les empreintes chimiques, des glaces, y compris l'eau, qui jouent un rôle majeur dans la formation des étoiles et des planètes et dans le cas de l'eau, est bien sûr critique pour la vie. Ce fut un grand moment.
La prochaine mission très importante était l'observatoire spatial Herschel, avec lequel j'ai personnellement participé en tant qu'étudiant diplômé en 1982. Du côté de la chimie, il était clair que Herschel était une mission principale pour les molécules interstellaires, et en particulier pour "suivre piste d'eau. " Mais d'abord, nous devions présenter le dossier scientifique à l'ESA. Je suis allé aux États-Unis pendant un certain nombre d'années et j'ai eu des discussions similaires là-bas, où j'ai aidé à plaider la cause scientifique de Herschel auprès des organismes de financement américains. Tout cela a été un grand coup jusqu'à ce que la mission soit finalement approuvée à la fin des années 1990. Ensuite, il a fallu encore 10 ans pour construire et lancer, mais nous avons finalement obtenu nos premières données fin 2009. Donc, de 1982 à 2009 - ce fut un long terme! [Photos: les incroyables images infrarouges de l'observatoire spatial Herschel]
TKF: Quand et où vos amours pour l'espace et la chimie ont-elles pris racine?
EVD: Mon amour principal était toujours pour les molécules. Cela a commencé au lycée avec un très bon professeur de chimie. Beaucoup dépend de très bons professeurs, et je ne pense pas que les gens réalisent toujours à quel point c'est important. Je ne me suis rendu compte qu'à mon arrivée à l'université que la physique était aussi amusante que la chimie.
TKF: Quel chemin académique avez-vous suivi pour finalement devenir astrochimiste?
EVD: À l'Université de Leiden, j'ai fait ma maîtrise en chimie et j'étais convaincu que je voulais continuer avec la chimie quantique théorique. Mais le professeur dans ce domaine à Leiden était décédé. J'ai donc commencé à chercher d'autres options. Je ne savais vraiment pas grand-chose sur l'astronomie à l'époque. C'était mon petit ami d'alors et actuel mari, Tim, qui venait d'entendre une série de conférences sur le milieu interstellaire, et Tim m'a dit: "Vous savez, il y a aussi des molécules dans l'espace!" [Rire]
J'ai commencé à étudier la possibilité de faire une thèse sur les molécules dans l'espace. Je suis passé d'un professeur à l'autre. Un collègue d'Amsterdam m'a dit que pour vraiment me lancer dans le domaine de l'astrochimie, je devais aller à Harvard pour travailler avec le professeur Alexander Dalgarno. En fait, à l'été 1979, Tim et moi voyagions au Canada pour assister à une assemblée générale de l'Union astronomique internationale à Montréal. Nous avons découvert que des réunions satellites avaient lieu avant l'Assemblée générale, et l'une d'elles se déroulait en fait dans ce parc spécifique où Tim et moi campions. L'idée que nous avions était: "Eh bien, peut-être que nous devrions saisir cette occasion et aller voir ce professeur Dalgarno déjà!"
Bien sûr, nous avions tout cet équipement et ces vêtements de camping, mais j'avais avec moi une jupe propre que je mettais. Tim m'a conduit à la réunion satellite, nous avons trouvé mon collègue d'Amsterdam et il a dit: "Oh, bien, je vais vous présenter le professeur Dalgarno." Le professeur m'a emmené dehors, nous avons parlé pendant cinq minutes, il m'a demandé ce que j'avais fait, quelles étaient mes compétences en astrochimie, puis il a dit: "Ça a l'air intéressant; pourquoi ne venez-vous pas travailler pour moi?" Ce fut évidemment un moment charnière.
Voilà comment tout a commencé. Je n'ai jamais regretté un instant depuis.
TKF: Y a-t-il eu d'autres moments charnières, peut-être au début de votre enfance, qui vous ont mis sur la voie de la science?
EVD: En fait, oui. J'avais environ 13 ans et mon père venait d'organiser un congé sabbatique à San Diego, en Californie. J'ai pris congé de mon lycée aux Pays-Bas, où nous avions surtout suivi des cours de latin et de grec et bien sûr quelques mathématiques. Mais nous n'avions encore rien en termes de chimie ou de physique, et la biologie n'a commencé qu'au moins un ou deux ans plus tard.
Au lycée de San Diego, j'ai décidé d'étudier des sujets très différents. J'ai pris l'espagnol par exemple. Il y avait aussi la possibilité de faire de la science. J'avais un très bon professeur, qui était une femme afro-américaine, ce qui à l'époque, en 1968, était assez inhabituel. Elle était juste très inspirante. Elle avait des expériences, elle avait des questions et elle a vraiment réussi à m'attirer vers la science.
TKF: Regardons maintenant vers l'avenir la promesse du réseau Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), qui a ouvert ses portes il y a plusieurs années et figure parmi les projets d'astronomie au sol les plus ambitieux et les plus chers jamais mis en œuvre. L'astrophysicien Reinhard Genzel vous remercie d'avoir aidé à forger le consensus international derrière cet observatoire. Comment avez-vous plaidé pour ALMA?
EVD: ALMA a été un succès étonnant en tant que premier observatoire dans cette gamme spéciale de lumière millimétrique et submillimétrique qui est une fenêtre importante pour l'observation des molécules dans l'espace. Aujourd'hui, ALMA se compose de 66 radiotélescopes avec des configurations de 7 et 12 mètres qui s'étendent à travers une plaine de haute altitude au Chili. Ce fut un très long chemin pour arriver là où nous en sommes maintenant!
ALMA est le résultat des rêves de plusieurs milliers de personnes. J'étais l'un des deux membres du côté européen du comité consultatif scientifique américain pour l'ALMA. Je connaissais bien la communauté scientifique nord-américaine depuis mes six années de travail aux États-Unis. Les deux parties, ainsi que le Japon, avaient des concepts très différents pour l'ALMA. Les Européens pensaient à un télescope qui pourrait être utilisé pour la chimie profonde et très précoce de l'univers, tandis que les Nord-Américains pensaient beaucoup plus à l'imagerie à grande échelle et à haute résolution; un groupe parlait de construire des télescopes de huit mètres, l'autre des télescopes de 15 mètres. [Rencontrez ALMA: des photos incroyables du radiotélescope géant]
J'ai donc été l'une des personnes qui ont aidé à réunir ces deux arguments. J'ai dit: "Si vous construisez un tableau beaucoup plus grand, en fait, nous gagnons tous." Le plan est devenu de rassembler un plus grand nombre de télescopes dans un seul réseau, plutôt que dans des réseaux séparés, qui ne sont pas aussi puissants. Et c'est ce qui s'est passé. Nous avons donné le ton de travailler ensemble sur ce projet fantastique plutôt que d'être des concurrents.
TKF: Quelles nouvelles frontières ouvre l'ALMA en astrochimie?
EVD: Le grand saut que nous faisons avec ALMA concerne la résolution spatiale. Imaginez regarder une ville d'en haut. Les premières images de Google Earth étaient très pauvres - on ne pouvait presque rien voir; une ville était une grosse goutte. Depuis lors, les images sont devenues de plus en plus nettes à mesure que la résolution spatiale s'est améliorée avec les caméras à bord des satellites. De nos jours, vous pouvez voir les canaux [dans les villes néerlandaises], les rues, même les maisons individuelles. Vous pouvez vraiment voir comment la ville entière est constituée.
La même chose se produit maintenant avec les lieux de naissance des planètes, qui sont ces minuscules disques autour des jeunes étoiles. Ces disques sont cent à mille fois plus petits que les nuages que nous avons examinés précédemment où naissent les étoiles. Avec ALMA, nous zoomons sur les régions où se forment de nouvelles étoiles et planètes. Ce sont vraiment les échelles pertinentes pour comprendre comment ces processus fonctionnent. Et l'ALMA, de façon unique, a les capacités spectroscopiques de détecter et d'étudier une très large gamme de molécules impliquées dans ces processus. ALMA est un formidable pas en avant par rapport à tout ce que nous avions auparavant.
TKF: Les nouveaux télescopes que vous avez pu utiliser au cours de votre carrière se sont révélés extraordinaires. Dans le même temps, nous sommes encore limités quant à ce que nous pouvons voir dans le cosmos. Quand vous pensez aux futures générations de télescopes, qu'espérez-vous le plus voir?
EVD: La prochaine étape de notre recherche est le télescope spatial James Webb [JWST], dont le lancement est prévu en 2021. Avec JWST, j'ai vraiment hâte de voir des molécules organiques et de l'eau à des échelles encore plus petites, et dans différentes parties de la planète- formation de zones, ce qui est possible avec ALMA.
Mais ALMA sera essentiel pour nos recherches pour longtemps - encore 30 à 50 ans. Il y a encore tellement de choses à découvrir avec ALMA. Cependant, ALMA ne peut pas nous aider à étudier la partie très intérieure d'un disque formant une planète, à l'échelle de l'endroit où notre Terre s'est formée, à une courte distance du soleil. Le gaz dans le disque y est beaucoup plus chaud et la lumière infrarouge qu'il émet peut être captée par un instrument que mes collègues et moi avons aidé à mettre en œuvre pour JWST.
JWST est la dernière mission sur laquelle j'ai travaillé. Encore une fois, c'est par hasard que je me suis impliqué, mais j'étais en bonne position avec mes partenaires et collègues américains pour aider. Un certain nombre d'entre nous des côtés européen et américain se sont réunis et ont déclaré: "Hé, nous voulons que cet instrument se concrétise et nous pouvons le faire dans un partenariat 50/50."
TKF: Compte tenu de votre travail sur les éléments constitutifs des étoiles et des planètes, le cosmos semble-t-il propice ou même propice à la vie?
EVD: Je dis toujours que je fournis les blocs de construction, puis c'est à la biologie et à la chimie de raconter le reste de l'histoire! [Rires] En fin de compte, il importe de quel genre de vie nous parlons. Parlons-nous seulement de la vie la plus primitive et unicellulaire que nous connaissons est apparue rapidement sur Terre? Compte tenu de tous les ingrédients dont nous disposons, il n'y a aucune raison pour que cela ne se produise sur aucun des milliards d'exoplanètes que nous savons maintenant en orbite autour de milliards d'autres étoiles.
En allant aux prochaines étapes de la vie multicellulaire et finalement intelligente, nous comprenons très peu encore comment cela émerge d'une vie plus simple. Mais je pense qu'il est sûr de le dire, étant donné le niveau de complexité, il est moins probable que cela se produise aussi souvent que, disons, les microbes. [10 exoplanètes qui pourraient héberger la vie extraterrestre]
TKF: Comment le domaine de l'astrochimie nous aidera-t-il à répondre à la question de savoir s'il existe vie extraterrestre dans l'univers?
EVD: L'étude de la chimie des atmosphères exoplanètes est ce qui nous aidera à répondre à cette question. Nous trouverons de nombreuses exoplanètes potentiellement semblables à la Terre. La prochaine étape consistera à rechercher les empreintes spectrales, dont j'ai parlé plus haut, dans l'atmosphère des planètes. Dans ces empreintes digitales, nous chercherons spécifiquement des «biomolécules» ou des combinaisons de molécules qui pourraient indiquer la présence d'une certaine forme de vie. Cela signifie non seulement de l'eau, mais de l'oxygène, de l'ozone, du méthane et plus encore.
Nos télescopes actuels peuvent à peine détecter ces empreintes digitales dans l'atmosphère des exoplanètes. C'est pourquoi nous construisons la prochaine génération de télescopes géants au sol, comme le télescope extrêmement grand, qui aura un miroir qui est environ trois fois plus grand que tout ce qui existe aujourd'hui. Je suis impliqué dans la justification scientifique de cela et d'autres nouveaux instruments, et les biosignatures sont vraiment l'un des principaux objectifs. C'est la direction passionnante où l'astrochimie ira.
