Les globules de Bok

Le nom de ces objets provient de l'astronome Bart Bok, qui, avec son épouse Priscilla Fairfield Bok, proposa dès les années 1940 que ces petits nuages obscurs étaient des pouponnières stellaires. À cette époque, cette hypothèse demeurait difficile à vérifier, car les observations en lumière visible ne permettaient pas de voir à travers les épais nuages de poussière. Le développement ultérieur de l'astronomie infrarouge, submillimétrique et radio permit finalement de confirmer que de nombreux globules de Bok contiennent effectivement des protoétoiles ou des cpeurs préstellaires.

Les globules de Bok possèdent généralement des dimensions comprises entre environ 0,1 et 2 années-lumière de diamètre, soit environ 0,03 à 0,6 parsec. Leur masse varie de quelques fractions de masse solaire jusqu'à plusieurs centaines de masses solaires, bien que la plupart contiennent entre 2 et 50 masses solaires. Leur température est extrêmement basse, généralement comprise entre 7 et 15 K. À de telles températures, presque toute l'énergie thermique du gaz est insuffisante pour empêcher la gravitation de provoquer un effondrement lorsque certaines conditions de stabilité sont dépassées.

Leur composition chimique reflète celle des nuages moléculaires. L'hydrogène moléculaire constitue plus de 70 % de leur masse, tandis que l'hélium représente environ 28 %. Les quelques pourcents restants sont formés de molécules plus complexes et de poussières. Parmi les espèces moléculaires détectées figurent notamment le monoxyde de carbone (CO), l'ammoniac (NH3), le formaldéhyde (H2CO), le cyanure d'hydrogène (HCN), le diazénylium (N2H⁺), ainsi que de nombreuses molécules organiques plus complexes observées grâce à la radioastronomie.

Constituées principalement de silicates, de carbone amorphe et de grains recouverts de glaces d'eau, de méthanol, de monoxyde de carbone ou de dioxyde de carbone, les poussières absorbent efficacement la lumière visible et ultraviolette. Cette absorption explique pourquoi les globules apparaissent comme des silhouettes noires. Les poussières protègent également l'intérieur du nuage contre le rayonnement ultraviolet des étoiles voisines, permettant aux molécules fragiles de survivre et à la température de rester extrêmement basse.
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La densité des globules de Bok est très supérieure à celle du milieu interstellaire diffus. Alors que celui-ci contient souvent moins d'un atome par centimètre cube, un globule présente des densités comprises entre 10³ et 10⁶ molécules par centimètre cube. Dans les régions centrales les plus condensées, les densités peuvent même dépasser 10⁷ particules par centimètre cube. Malgré ces valeurs élevées à l'échelle astronomique, le gaz reste beaucoup plus ténu que le meilleur vide obtenu en laboratoire terrestre.

L'équilibre interne d'un globule résulte de la compétition entre plusieurs forces. La gravité tend à concentrer la matière vers le centre, tandis que la pression thermique, la turbulence interne et parfois les champs magnétiques s'opposent à cet effondrement. Si la masse dépasse une valeur critique, souvent décrite par le critère de Jeans, la gravité l'emporte et le nuage entre dans une phase d'effondrement gravitationnel.

Au cours de cet effondrement, les régions les plus denses deviennent progressivement opaques au rayonnement infrarouge qu'elles produisent. L'énergie gravitationnelle libérée est alors convertie en chaleur, provoquant l'élévation progressive de la température centrale. Une protoétoile se forme au coeur du globule tandis qu'un disque d'accrétion apparaît autour d'elle sous l'effet de la conservation du moment cinétique. Cette phase est souvent accompagnée de jets bipolaires et d'écoulements moléculaires qui évacuent une partie du moment angulaire du système.

Tous les globules de Bok ne forment cependant pas des étoiles. Certains demeurent stables pendant plusieurs millions d'années, tandis que d'autres se dispersent sous l'effet du rayonnement ultraviolet ou des vents stellaires provenant d'étoiles massives voisines. L'évolution dépend de nombreux paramètres, notamment de la masse initiale, de la pression externe, de l'intensité du champ magnétique et du niveau de turbulence interne.

Les observations dans différentes longueurs d'onde révèlent des aspects complémentaires de leur structure. En lumière visible, seuls leurs contours obscurs sont perceptibles. Dans l'infrarouge proche, certaines étoiles d'arrière-plan deviennent visibles à travers les régions les moins opaques, permettant de cartographier la distribution de la poussière. Dans l'infrarouge thermique, les poussières froides émettent directement leur propre rayonnement. Les observations millimétriques et submillimétriques détectent quant à elles les émissions moléculaires qui renseignent sur la température, la densité, les mouvements internes et la composition chimique.
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Les champs magnétiques influencent profondément leur dynamique. Les observations de la polarisation de la lumière montrent que les lignes de champ magnétique peuvent guider l'effondrement du gaz et limiter la fragmentation du nuage. La dissipation progressive du support magnétique, notamment par diffusion ambipolaire, favorise ensuite l'effondrement des régions les plus denses.

La chimie des globules évolue également au cours du temps. Les très basses températures favorisent la condensation des molécules sur les grains de poussière, où se déroulent des réactions chimiques impossibles en phase gazeuse. C'est ainsi que se forment progressivement des molécules organiques complexes qui seront ensuite réinjectées dans le gaz lorsque la protoétoile réchauffera son environnement. Les globules de Bok constituent ainsi l'un des premiers maillons de la chimie prébiotique observée dans les régions de formation stellaire.

Beaucoup présentent des structures filamentaires, des condensations multiples ou des gradients de densité importants. Les interactions avec leur environnement, les ondes de choc produites par les supernovae voisines ou la pression exercée par les régions H II peuvent déclencher ou accélérer leur effondrement, illustrant le lien étroit entre la formation des étoiles et l'évolution globale des nuages moléculaires.

Les globules de Bok demeurent des objets d'étude privilégiés pour comprendre les mécanismes fondamentaux de la naissance des étoiles. Leur relative simplicité géométrique, comparée aux vastes complexes moléculaires géants, permet de tester les modèles de stabilité gravitationnelle, de turbulence supersonique, de transport du moment angulaire, d'évolution des champs magnétiques et de chimie du milieu interstellaire.