En astronomie, une région d'hydrogène ionisé Entrée , dans . ou région ... (lire « H deux ») est une nébuleuse en émission constituée de nuages principalement composés d'hydrogène et dont la plupart des atomes sont ionisés, et s'étendant parfois sur plusieurs années-lumière. L'ionisation est produite par la proximité d'une ou de plusieurs étoiles très chaudes, de type spectral O ou B, qui rayonnent fortement dans l'ultraviolet extrême, elles-mêmes formées à partir du nuage.
Plus tard, les explosions en supernovæ et les forts vents stellaires provoqués par les étoiles les plus massives de l'amas stellaire finiront par disperser les particules de gaz restant, laissant derrière elles un amas d'étoiles tel que celui des Pléiades.
Les régions HII tirent leur nom de la présence en grande quantité d'hydrogène ionisé, noté « HII ». Il s'agit donc de l'ion H+, c'est-à-dire un simple proton, distinct de l'hydrogène moléculaire (H2) et de l'hydrogène neutre atomique (HI).
Ces nuages de gaz ionisé sont visibles à de très grandes distances et l'étude des régions HII extragalactiques est fondamentale pour déterminer les distances et la composition chimique des autres galaxies.
Histoire Quelques-unes des régions HII les plus lumineuses sont visibles à l'œil nu, cependant il semble qu'aucune d'entre elles n'ait été découverte avant l'invention du télescope au début du . Même Galilée semble ne pas avoir remarqué la nébuleuse d'Orion alors qu'il observait l'amas stellaire qu'elle contient. C'est l'astronome français Nicolas-Claude Fabri de Peiresc qui découvrit cette nébuleuse en 1610, et depuis un grand nombre de ces régions HII ont été découvertes, à l'intérieur et en dehors de notre galaxie.
William Herschel, observant la nébuleuse d'Orion en 1774, la décrivit comme . Il fallut cependant attendre encore un siècle pour que cette théorie soit confirmée, lorsque l'astronome britannique William Huggins pointe son spectromètre en direction de plusieurs nébuleuses. Parmi celles qui furent observées, certaines, comme la nébuleuse d'Andromède, possédaient un spectre similaire à celui des étoiles, et on en déduisit qu'il s'agissait en fait de galaxies composées de centaines de millions d'étoiles. Les autres étaient très différentes : à la place d'un spectre continu entrecoupé de raies d'absorption, celui de la nébuleuse d'Orion et d'autres objets similaires n'était composé que de quelques raies d'émission, peu nombreuses W. Huggins, W.A. Miller, On the Spectra of some of the Nebulae, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1864, v.154, ..
L'une d'entre elles était située à une longueur d'onde de 500,7 nanomètres, ce qui, à l'époque, ne correspondait à aucun élément chimique connu. Les scientifiques émirent alors l'hypothèse qu'il s'agissait d'un nouvel élément chimique, qui fut nommé nébulium (une idée similaire avait conduit à la découverte de l'hélium en 1868 par analyse du spectre du Soleil).
Cependant, alors que l'hélium fut isolé sur Terre peu après sa découverte dans le spectre du Soleil, ce ne fut pas le cas du nébulium. Au début du , Henry Norris Russell proposa que plutôt que d'être liée à un nouvel élément, la raie d'émission à pourrait l'être à un élément déjà connu mais placé dans des conditions inhabituelles.
Les physiciens montrèrent dans les années 1920 que dans un gaz de densité extrêmement faible, les électrons excités peuvent occuper des niveaux d'énergie métastables qui seraient très rapidement désexcités par les collisions dans un gaz de densité plus élevée Bowen, I.S., The Origin of the Chief Nebular Lines, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 1927, v.39, (lire en ligne ).. Or la transition des électrons entre ces niveaux d'énergie dans l'atome d'oxygène mènent précisément à une raie d'émission de de longueur d'onde. Ces raies spectrales, qui ne peuvent être observées que pour des gaz de densité très faible, sont appelées raies de transition interdites. Les observations spectrométriques des nébuleuses montrèrent donc que celles-ci étaient constituées de gaz extrêmement raréfié.
Au cours du , les observations révélèrent que les régions HII contenaient souvent des étoiles chaudes et très lumineuses. Ces étoiles sont beaucoup plus massives que le Soleil et sont celles qui possèdent la durée de vie la plus courte, estimée à quelques millions d'années seulement (par rapport aux étoiles comme le Soleil qui peuvent vivre plusieurs milliards d'années). On conjectura alors que les régions HII devaient être un des lieux où les étoiles naissent. Ainsi, sur une période de plusieurs millions d'années, un amas d'étoiles se forme à partir du nuage de gaz, avant que la pression de radiation engendrée par les étoiles déjà créées ne disperse ce qui reste de la nébuleuse.
Les Pléiades sont un exemple d'amas qui a totalement « soufflé » le gaz de la région HII à partir de laquelle il s'est formé (seules quelques traces de nébulosité par réflexion sont encore visibles).
Formation et évolution
vignette|Partie de la nébuleuse de la Tarentule, une région HII géante du Grand Nuage de Magellan. Le précurseur d'une région HII est un nuage moléculaire géant. Ce nuage géant est très froid (de 10 à ) et dense, principalement constitué d'hydrogène moléculaire. Les nuages moléculaires géants peuvent rester dans un état stable pendant très longtemps, mais les ondes de choc provoquées par les supernovæ voisines, les collisions entre galaxies ou les interactions gravitationnelles et magnétiques peuvent entraîner l'effondrement d'une partie du nuage, ce qui conduit à la formation d'étoiles via un processus d'effondrement et de fragmentation du nuage.
À la suite de la création d'étoiles à l'intérieur du nuage moléculaire géant, les plus massives d'entre elles atteignent rapidement une température très élevée (plusieurs dizaines de milliers de kelvins), et les photons très énergétiques émis par l'étoile commencent à ioniser le gaz environnant – celui-ci étant principalement composé d'hydrogène, on obtient alors un plasma de protons et d'électrons libres. Il se forme alors un front d'ionisation, qui s'étend à très grande vitesse. La pression interne du gaz nouvellement ionisé augmente avec sa température, entraînant de fait une augmentation de son volume. Les déplacements de matière et ondes de choc générées favorisent à leur tour la formation stellaire dans les régions voisines.
La durée de vie d'une région HII est estimée entre 10 et 100 millions d'années suivant ses dimensions, la pression de radiation et le vent stellaire engendrés par les étoiles chaudes achevant d'évacuer le gaz encore présent (voir étoile Wolf-Rayet). En fait, le processus a un rendement assez faible, avec seulement environ 10 pour cent du gaz de la nébuleuse servant à la formation des étoiles avant d'être éjecté au loin. Les explosions en supernovæ contribuent également pour une grande part à cette perte de gaz, celles-ci pouvant se produire après seulement un à deux millions d'années pour les étoiles les plus massives.
Pouponnières d'étoiles
Le processus réel de formation des étoiles à l'intérieur des régions HII nous est en fait caché par le dense nuage de gaz froid et opaque qui entoure l'étoile naissante. C'est seulement lorsque la pression de radiation, provoquée par le rayonnement de l'étoile, aura expulsé son « cocon » qu'elle deviendra visible. Avant cela, les régions de gaz dense qui contiennent les nouvelles étoiles en formation sont souvent vues en silhouette devant les autres parties ionisées de la nébuleuse. Ces zones sombres sont connues sous le nom de globules de Bok, du nom de l'astronome Bart Bok, qui émit l'hypothèse dans les années 1940 que ceux-ci puissent être le lieu de la formation des étoiles.
La confirmation de l'hypothèse de Bok dut attendre les années 1990 pour que l'amélioration des instruments et des observations infrarouge finisse par « percer » cette couche de poussières et montrer les jeunes étoiles en cours de formation J.L. Yun, D.P. Clemens, Star formation in small globules – Bart Bok was correct, Astrophysical Journal, volume 365, 1990, (lire en ligne ).. On pense généralement qu'un globule de Bok typique possède une masse d'environ 10 masses solaires, concentrée dans une région d'environ 1 année-lumière D.P. Clemens, J.L. Yun, M.H. Heyer, « Bok globules and small molecular clouds – Deep IRAS photometry and (C-12)O spectroscopy », Astrophysical Journal Supplement, volume 75, 1991, (lire en ligne )., et que les globules de Bok conduisent la plupart du temps à la formation d'étoiles doubles ou multiples R. Launhardt, A.I. Sargent, T. Henning , « Binary and multiple star formation in Bok globules », Proceedings of IAU Symposium No. 200 on The Formation of Binary Stars, Reipurth & Zinnecker, 2000, (lire en ligne )..
En plus d'être le lieu de la formation des étoiles, les régions HII semblent également contenir des systèmes planétaires. Le télescope spatial Hubble a révélé la présence de centaines de disques protoplanétaires dans la nébuleuse d'Orion. Au moins la moitié des jeunes étoiles de la nébuleuse d'Orion semblent entourées d'un disque de gaz et de poussières, dont on pense qu'ils contiennent chacun assez de matière pour former des systèmes planétaires semblables au nôtre.
Caractéristiques Caractéristiques physiques Les propriétés physiques des régions HII varient énormément de l'une à l'autre. Leur taille se situe généralement entre une année-lumière seulement pour les régions ultra-compactes et plusieurs centaines d'années-lumière pour les géantes. La densité des régions ultra-compactes est de l'ordre du million de particules par centimètre cube, et seulement quelques particules au centimètre cube pour les régions les plus étendues. En 2017, on a découvert un nuage de gaz ionisé gigantesque, de plus de , soit trois fois le diamètre de la Voie lactée, qui enveloppe dix galaxies... Il se trouve dans une région particulièrement dense d'un groupe de galaxies appelé COSMOS-Gr30, à d'années-lumière de la Terre.
Selon la taille de la région HII, elle peut contenir de une étoile jusqu'à plusieurs milliers, ce qui rend les régions HII beaucoup plus compliquées à comprendre et à analyser que les nébuleuses planétaires, qui elles ne contiennent qu'une seule source centrale d'ionisation. Les régions HII ont cependant en commun d'avoir une température de l'ordre de . Elles sont en grande partie ionisées, et ce gaz ionisé peut engendrer un champ magnétique d'une force de plusieurs dizaines de microgauss Heiles C., Chu Y.-H., Troland T.H. (1981), Magnetic field strengths in the H II regions S117, S119, and S264, Astrophysical Journal Letters, v. 247, p. L77-L80 (). Certaines observations suggèrent que ce gaz peut contenir des champs électriques Carlqvist P, Kristen H, Gahm G.F. (1998), Helical structures in a Rosette elephant trunk, Astronomy and Astrophysics, v.332, p.L5-L8 ()..
Chimiquement, les régions HII sont constituées à 90 % d'hydrogène. La raie d'émission la plus forte de l'hydrogène, située à , procure à ces régions leur couleur rouge caractéristique. Le reste est principalement constitué d'hélium, plus quelques traces d'éléments plus lourds. À travers notre galaxie, il a été montré que la proportion d'éléments lourds dans une région HII décroît lorsque l'on s'éloigne du centre galactique. Ceci est probablement dû au fait qu'au cours de la vie de la Galaxie, le taux de formation d'étoiles était plus élevé dans les régions centrales (plus denses), impliquant un enrichissement plus rapide du milieu interstellaire en éléments lourds, par les processus de nucléosynthèse stellaire.
Nombre et distribution