Une illustration d'artiste de grains de poussière soufflant dans les vents d'un quasar, ou trou noir actif. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Joe Nuth aime la poussière. Parmi les astronomes, cela le met en minorité.
"Les astronomes traditionnels - les gens qui regardent les galaxies et les étoiles - ils détestent la poussière, " dit Nuth, un scientifique planétaire au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "C'est le truc qui est sur leur chemin."
Comme la poussière terrestre qui s'accumule sous ton lit, la poussière cosmique est difficile à éviter. "C'est environ deux pour cent du total des trucs, d'ici à n'importe où, " a déclaré Nuth. Mais cela ne prend pas tout cet espace pour rien.
La poussière se condense en astéroïdes et en planètes. Des nuages de poussière géants peuvent transporter les gaz d'une étoile mourante pour en fertiliser une nouvelle. La poussière qui entoure les jeunes planètes peut les garder au chaud, fournissant des surfaces pour que l'eau s'accumule et les molécules organiques se forment. Mais si l'un de ces effets se produit dépend de la façon dont ces minuscules grains de poussière sont construits, à la plus petite des échelles.
C'est pourquoi Nuth lance les traits déterminants inconnus mais significatifs, ou fusée-sonde DUST. Une collaboration entre la NASA et l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale, la fusée effectuera un bref vol dans l'espace, transporter du matériel de laboratoire dans un environnement sans gravité. Là, Nuth et son équipe construiront leurs propres grains de poussière, dans l'espoir de faire la lumière sur le rôle démesuré que ces minuscules taches jouent dans notre univers. La première opportunité de lancement de DUST depuis la chaîne de missiles White Sands au Nouveau-Mexique commence le 7 octobre. 2019.
Faire tomber la poussière
Aussi répandu soit-il, la poussière cosmique ne se forme pas facilement. Les grains de poussière naissent lorsque des atomes individuels entrent en collision et se collent les uns aux autres. Mais dans l'espace, les collisions directes sont rares (l'espace où se forme la poussière est environ 2,7 milliards de fois moins dense que l'air au niveau de la mer). Même lorsque les atomes entrent en collision, ils peuvent ne pas coller. Dans une expérience précédente, Nuth a trouvé que pour 100, 000 collisions entre atomes de zinc, seulement trois collent à un cristal de poussière en croissance.
Un échantillon de poussière cosmique collecté dans la stratosphère terrestre. Le grain mesure environ cinq micromètres de diamètre, soit environ la taille d'un globule rouge humain. Crédit :Johnson Space Center/Programme de collecte de poussière cosmique de la NASA
Une fois que quelques atomes s'entassent, une tour bancale ressemblant à Jenga émerge. "Vous montez une échelle d'instabilité, " dit Nuth. " Les petits amas veulent vraiment se désagréger. " Mais si vous pouvez entourer suffisamment d'atomes de tous les côtés, le système commence à se stabiliser. Vous avez un grain de poussière en croissance.
C'est lorsque les grains de poussière eux-mêmes entrent en collision que les choses deviennent intéressantes. S'ils s'entassent comme de la neige en boules de neige, ils ne réagissent pas beaucoup à la lumière ou à la chaleur. Mais s'ils se lient plutôt en dentelle, structures en forme de flocon de neige, ils font beaucoup plus. De tels agrégats de poussière cristalline captent la lumière des étoiles comme une voile, en fouettant les gaz d'une étoile à l'autre. Ils emprisonnent également la chaleur, potentiellement changer le destin des planètes qu'ils couvrent. "Si vous avez une planète en croissance entourée d'une couverture poussiéreuse, c'est un environnement thermique différent de celui sans, " dit Nuth. " La poussière affecte la façon dont les planètes grandissent. "
Mais comment ces grains de poussière se forment et s'agrègent ensemble n'est pas encore bien compris. Comprendre cela peut rapporter des bénéfices considérables dans le domaine de la physique spatiale.
Collecter la poussière
Jusque là, Nuth a fait la plupart de son travail en laboratoire, mais la gravité terrestre impose de sévères limitations. Ses expériences nécessitent de chauffer des matériaux à plus de 1000 degrés Fahrenheit. Mais des températures aussi élevées créent une convection – le barattage de l'air qui se produit dans votre four – qui ne se produit pas dans l'espace lointain. "Pour mesurer la croissance des grains de poussière, nous avons besoin d'un environnement constant, " dit Nuth. Pour obtenir cela, il faut aller en microgravité.
Nuth s'est associé à son ancien postdoctorant Yuki Kimura de l'Université d'Hokkaido au Japon pour lancer des équipements de laboratoire dans l'espace. La charge utile, conçu par Kimura, pèse environ 330 livres. "C'est à peu près aussi gros qu'une petite moto, " dit Kimura.
À l'intérieur, un ensemble de fils métalliques enrobés de silicates de magnésium, qui seraient des particules de poussière, attendent d'être lancés. Une fois que la fusée entre dans l'espace et subit la microgravité, le fil chauffe et les atomes et les molécules se diffusent. Certains se heurtent, coller, et commencent à former des grains de poussière; d'autres non. En utilisant la spectroscopie et d'autres mesures, l'expérience DUST mesurera le moment où les grains commencent à pousser et à se lier en agrégats, notant à quelle température et densité ils font le mieux. La charge utile retombera ensuite sur Terre pour être collectée pour une analyse plus approfondie.
La nébuleuse de l' Eyeil de chat (NGC 6543) est une étoile mourante semblable au Soleil qui a éjecté ses couches externes dans l'espace. Les anneaux concentriques qui l'entourent sont des nuages de poussière cosmique. Crédit :NASA/Space Telescope Science Institute/Hubble Space Telescope
Quand la poussière retombe
Avant même de récupérer la charge utile, Nuth sera dans le laboratoire pour travailler sur la partie terrestre de l'expérience. Sa question est de savoir si la formation de grains de poussière pourrait être plus simple que prévu.
En principe, des grains de poussière peuvent se former à partir de l'un des 92 éléments naturels du tableau périodique. "Mais c'est très difficile à modéliser, " a déclaré Nuth. Chaque élément a ses propres bizarreries; les prendre toutes en compte à la fois est un défi majeur.
Dans les expériences précédentes, Nuth a appris que certains éléments se bloquent :si le fer pénètre dans un grain de poussière en croissance, par exemple, il a tendance à empêcher le magnésium d'entrer. Il explore ce comportement en laboratoire, dans l'espoir de réduire une équation à 92 variables en quelque chose de beaucoup plus gérable. "C'est beaucoup plus facile si vous n'avez à vous soucier que d'un ou deux matériaux en particulier, " dit Nuth.
Les résultats de la fusée, jumelé avec le travail de Nuth en laboratoire, visent à faire la lumière sur le fonctionnement des deux pour cent poussiéreux de notre univers visible. Globalement, l'expérience DUST nous rappelle que la clé de l'incroyablement grand réside parfois dans l'incroyablement petit.
La fusée-sonde DUST sera lancée depuis le champ de tir de White Sands sur une fusée Black Brant IX. Au cours de son vol d'environ 14 minutes, la fusée atteindra une altitude estimée à 200 miles avant de retomber sur Terre pour être récupérée.
