Quelle est la première molécule à s’être formée après le Big Bang ? Ce n’est probablement pas le dihydrogène (H 2 ), mais l’ion hydrure d’hélium (HeH+). Ce composé a été synthétisé en laboratoire pour la première fois en 1925, mais n’avait jamais été observé dans l’espace. Pourtant, dans les années 1970, des chercheurs avaient suggéré qu’il pouvait se former dans les nébuleuses planétaires. Rolf Güsten, de l’institut Max-Planck pour la radioastronomie, à Bonn, en Allemagne, et ses collègues viennent enfin de confirmer la présence de cette molécule dans la nébuleuse planétaire NGC 7027, à 3 000 années-lumière de la Terre.

Dans les premières minutes qui ont suivi la naissance de l’Univers, les premiers noyaux atomiques – hydrogène, hélium et des traces de lithium – se sont formés. Mais le milieu était encore trop chaud pour que des molécules stables se forment. Il fallut attendre que la température de l’Univers en expansion baisse jusqu’à environ 4 000 kelvins, pour voir les atomes d’hydrogène et d’hélium s’apparier et former des ions hydrure d’hélium. Mais lorsque la température a baissé au point que les électrons libres ont pu être capturés par les noyaux atomiques pour former des éléments neutres (la « recombinaison »), les ions hydrure d’hélium ont disparu au profit du dihydrogène. Cependant, les conditions précises de synthèse de cette molécule et l’évolution des composés chimiques dans les premiers temps de l’Univers restent incertaines. Et, surtout, l’absence de détection de HeH+ dans l’espace avait de quoi surprendre. En effet, des régions comme les nébuleuses planétaires (de vastes nuages de gaz expulsés par une étoile située au centre) semblaient propices à la formation de cet ion.

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Mais la signature de l’ion hydrure d’hélium est difficile à mettre en évidence. Les atomes et les molécules laissent une empreinte spécifique dans la lumière d’une étoile qui les traverse. Ils possèdent des modes d’excitation liés à des fréquences particulières et absorbent donc une partie du rayonnement à ces fréquences, laissent ainsi une trace caractéristique dans le spectre lumineux. Mais parfois, deux espèces chimiques très différentes possèdent des signatures spectrales très similaires, ce qui rend leur identification très difficile. C’est le cas de l’ion HeH+ et du radical CH, dont les fréquences de rotation caractéristiques sont quasiment identiques, espacées de seulement quelques centaines de mégahertz.

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Rolf Güsten et ses collègues ont utilisé les toutes dernières techniques de spectroscopie dans le domaine des très hautes fréquences pour observer la nébuleuse NGC 7027. Cette nébuleuse, située à 3 000 années-lumière de la Terre, est considérée depuis longtemps comme l’une des régions les plus prometteuses pour observer HeH+. Son étoile, une naine blanche, est l’une des plus chaudes connues (190 000 kelvins) et l’enveloppe de gaz qui l’entoure est soumise à des rayonnements très importants, des conditions a priori favorables à la formation d’ions HeH+.

Les astronomes ont utilisé l’observatoire stratosphérique pour l’astronomie infrarouge (Sofia), développé par la Nasa et l’agence spatiale allemande et installé à bord d’un Boeing 747. L’avion évolue à plus de 12 000 mètres d’altitude pour réduire au maximum les perturbations liées à la vapeur d’eau dans l’atmosphère. Les chercheurs ont alors associé le télescope de 3 mètres de diamètre de l’observatoire volant à un spectromètre à haute résolution pour observer spécifiquement la longueur d’onde correspondant à HeH+, et ont confirmé sa présence dans la nébuleuse NGC 7027.

La mesure de l’abondance de HeH+ a aussi permis de préciser, grâce à un modèle numérique, les réactions de formation et de destruction de ce composé. Cette détection confirme dans les grandes lignes ce qu’on comprenait de la chimie dans l’Univers primordial.