Quand Jan Cami, Jeronimo Bernard-Salas et leurs collaborateurs publient en 2010 dans Science les spectres infrarouges de la nébuleuse planétaire Tc 1, ils tiennent une preuve inattaquable : les quatre bandes vibrationnelles caractéristiques du fullerène C₆₀ sont visibles, à 7,0 µm, 8,5 µm, 17,4 µm et 18,9 µm. La molécule à soixante atomes de carbone arrangés en ballon de football, synthétisée pour la première fois en laboratoire en 1985 par Kroto, Curl et Smalley, vient d'être détectée dans l'espace. Et avec elle, son cousin C₇₀.
Une molécule à part
Avec ses 60 atomes de carbone, ses 32 faces (20 hexagones, 12 pentagones), sa stabilité quasi miraculeuse, C₆₀ est la plus grande molécule sans ambiguïté détectée dans l'espace. Sa découverte a posé immédiatement deux questions : combien y en a-t-il ? et comment se forme-t-elle ?
L'estimation actuelle est saisissante. Dans la nébuleuse planétaire Tc 1, les fullerènes représentent quelques pour cent du carbone total — une fraction colossale pour une molécule aussi grande. Dans les milieux moins favorables, la proportion tombe, mais reste détectable autour de nombreuses étoiles évoluées.
Quant à la formation, plusieurs voies sont en compétition : condensation en phase gazeuse à haute température autour des étoiles AGB carbonées, déshydrogénation progressive de très grands PAH sous irradiation UV, fragmentation de grains de poussière. La question reste ouverte, mais les expériences en jet froid à Lyon et Toulouse éclairent progressivement les mécanismes.
Le mystère des bandes diffuses
Depuis 1922, les astronomes observent dans le spectre des étoiles vues à travers de la matière interstellaire des centaines de bandes d'absorption qu'aucune molécule connue n'expliquait : les bandes diffuses interstellaires, ou DIBs (Diffuse Interstellar Bands). Plus de 500 ont été cataloguées. Pendant un siècle, leur identification fut le « plus long mystère de la spectroscopie astronomique ».
En 2015, John Maier et son équipe à l'Université de Bâle parviennent à mesurer précisément, dans une cellule cryogénique, les transitions électroniques du cation C₆₀⁺. Deux d'entre elles, à 9577 Å et 9632 Å, coïncident exactement avec deux DIBs bien connues du domaine proche infrarouge. Mesures suivantes au laboratoire : deux DIBs supplémentaires, à 9428 Å et 9365 Å, sont également attribuées à C₆₀⁺. Le verdict est sans appel.
« Quatre bandes diffuses sur cinq cents identifiées, c'est peu. Mais c'est la preuve qu'au moins une partie de ces bandes vient de très grandes molécules carbonées. »
Un siècle pour quatre bandes
Cette identification est l'aboutissement d'un siècle de patience — et d'une démarche scientifique exemplaire. Pour conclure définitivement, il a fallu :
- une détection spatiale solide de C₆₀ neutre (Spitzer, 2010) ;
- la production isolée de C₆₀⁺ en laboratoire dans des conditions proches du milieu interstellaire (Maier, 2015) ;
- la coïncidence en longueur d'onde au-delà du seuil d'incertitude raisonnable.
Aucune des trois étapes seule n'aurait suffi. C'est ce que Karl Popper aurait reconnu comme une falsification réussie : l'hypothèse « C₆₀⁺ est responsable de ces bandes » prédisait des longueurs d'onde précises. Les mesures les ont confirmées.
Et après ?
Restent encore près de 500 bandes diffuses non identifiées. Les candidats principaux sont les grands PAH (polycyclic aromatic hydrocarbons) ionisés et leurs fragments. Le travail méthodique reprend pour chacun : spectroscopie en cellule à basse température, comparaison aux observations, contraintes croisées. Le siècle d'attente pour C₆₀⁺ donne une idée du calendrier.
Cette histoire reste, pour beaucoup d'astrochimistes, l'une des plus belles. Elle montre la cohérence d'une discipline qui marche sur trois jambes — observation, laboratoire, théorie — et qui patiente, parfois cent ans, pour résoudre une énigme.