Des photons vieux comme le monde

En 1964, Penzias et Wilson obtiennent le prix Nobel de physique pour une découverte fortuite mais incroyable. Le fond diffus cosmologique que les deux scientifiques ont mis en avant donne un aperçu de l’univers tel qu’il était peu de temps après le Big Bang. Derrière cette image se cache une lumière ancestrale qui nous illumine encore aujourd’hui.

Dans les laboratoires de la compagnie Bell Telephone, à qui l’ont doit le transistor, le laser ou encore la fibre optique, deux radioastronomes font en 1964 une découverte inattendue. Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson découvrent accidentellement un bruit de fond grâce à leur radiotélescope : le rayonnement fossile de l’Univers ou fond diffus cosmologique (CMB pour Cosmic Microwave Background).

030635_1200

Le CMB observé par Penzias et Wilson en 1964. Crédit : NASA.

Mais que représente réellement cette image ? « Le fond diffus cosmologique, c’est du photon, » explique Stéphane Basa, directeur de recherche au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, « une lumière vieille de milliards d’années. » Les photons primordiaux, emprisonnés dans la matière quand l’univers était encore sombre, se sont libérés lors de la phase de ré-ionisation durant laquelle l’univers est devenu transparent. Ces photons se retrouvent aujourd’hui présents en tous points de l’univers. « C’est un rayonnement faible, mais toujours présent, » déclare le scientifique, « si j’ouvre la fenêtre, des photons du CMB vont rentrer. »

Lumière millénaire, le CMB nous apporte de nombreuses informations et constitue une sorte de carte d’identité de notre univers tel qu’il était 380000 ans après le Big Bang. Mais depuis, l’univers a grandi. Beaucoup grandi. À tel point que cette lumière émise voilà presque 13,7 milliards d’années nous parvient aujourd’hui de régions situées à plus de 45 milliards d’années-lumière de la Terre. Autre conséquence de l’expansion de l’univers : la longueur d’onde des photons du CMB se situe dans le domaine des micro-ondes. « Les antennes râteaux de la télé hertzienne captaient des photons du CMB, » explique Stéphane Basa, « la neige qu’on voyait dans la télé il y a quelques années affichait un pourcentage, faible mais présent, de ce rayonnement ! »

Suite à la découverte de Penzias et Wilson, les scientifiques ont fait du fond diffus cosmologique un sujet de recherche très actif. En 1992, le satellite de la NASA COBE détecte pour la première fois les fluctuations du CMB. En 2001, l’agence spatiale américaine améliore encore ses observations grâce au satellite WMAP.

081031_3000W

L’évolution du CMB avec les détecteurs associés. Crédit image : NASA.

En 2009, c’est l’Agence spatiale européenne qui lance le satellite Plank en vue de préciser encore les données. La carte résultante n’est alors plus du tout uniforme et montre des millions de petites fluctuations, ou anisotropies, qui correspondent à des régions de densité légèrement différente. Les plus denses deviendront plus tard les étoiles et les galaxies d’aujourd’hui.

Planck_CMB

Le CMB vu par Planck. Crédit : ESA.

Pourquoi cette image est tant différente des autres ? Parce qu’elle a été « nettoyée » (c.f. Image en une de l’article, crédit : ESA.) Avant de publier cette carte de l’Univers primordial, les astronomes ont éliminé de ce cliché toutes les sources d’avant plan, la poussière du système solaire, la Voie lactée (la bande rouge horizontale sur les autre clichés), les galaxies, etc.

Le CMB a aussi montré que l’univers était sphérique. Après quatre siècle, de Galilée à nos jours, les astronomes n’ont eu de cesse de reculer les limites de l’Univers. Aujourd’hui, la nature leur impose un cosmos qui semble clos. Ironie d’un éclat de lumière pas comme les autres.

cmb-cmbshape

Crédit : NASA.

Renaud Levantidis

Que représente la lumière pour vous ?

De nombreux scientifiques des laboratoires du consortium « Éclats de Lumière » nous ont expliqué ce que représentait la lumière pour eux. Aujourd’hui, c’est George Comte, astrophysicien émérite au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille qui partage avec nous sa « vision » de la lumière…

 

Le laboratoire des étoiles

Les chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille scrutent l’espace à la recherche de petites galaxies fossiles couleur azur. Les naines bleues compactes sont les laboratoires de la naissance des étoiles.

Observer la naissance d’une étoile. Comme un film, comme celui de votre enfance qui prend la poussière dans ce placard chez vos parents. Si l’on pouvait échographier les galaxies, cela arrangerait bien Georges Comte, astrophysicien émérite du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM), « mais ce serait moins amusant, » sourit-il. Pour savoir comment une étoile se forme, il faut trouver des galaxies où les étoiles sont très jeunes, massives et lumineuses. « Cela leur donne une jolie couleur bleue, » explique le chercheur, « on les nomme les naines bleues compactes. »

This sprinkle of cosmic glitter is a blue compact dwarf galaxy known as Markarian 209. Galaxies of this type are blue-hued, compact in size, gas-rich, and low in heavy elements. They are often used by astronomers to study star formation, as their conditions are similar to those thought to exist in the early Universe. Markarian 209 in particular has been studied extensively. It is filled with diffuse gas and peppered with star-forming regions towards its core. This image captures it undergoing a particularly dramatic burst of star formation, visible as the lighter blue cloudy region towards the top right of the galaxy. This clump is filled with very young and hot newborn stars. This galaxy was initially thought to be a young galaxy undergoing its very first episode of star formation, but later research showed that Markarian 209 is actually very old, with an almost continuous history of forming new stars. It is thought to have never had a dormant period — a period during which no stars were formed — lasting longer than 100 million years. The dominant population of stars in Markarian 209 is still quite young, in stellar terms, with ages of under 3 million years. For comparison, the Sun is some 4.6 billion years old, and is roughly halfway through its expected lifespan. The observations used to make this image were taken using Hubble’s Wide Field Camera 3 and Advanced Camera for Surveys, and span the ultraviolet, visible, and infrared parts of the spectrum. A scattering of other bright galaxies can be seen across the frame, including the bright golden oval that could, due to a trick of perspective, be mistaken as part of Markarian 209 but is in fact a background galaxy. A version of this image was entered into the Hubble's Hidden Treasures image processing competition by contestant Nick Rose. Links:  Nick Rose’s Hidden Treasures entry on Flickr
La galaxie naine bleue compacte Markarian 209 capturée par le télescope Hubble.

 

Lorsqu’une étoile d’une galaxie naine bleue compacte nous éclaire, elle nous dévoile en même temps sa composition. A l’œil, elle parait bleue à cause de sa forte température et de sa vigoureuse luminosité. « Les galaxies naines bleues compactes sont notre laboratoire, » raconte Georges Comte, « c’est comme observer un service de maternité à l’hôpital…mais à des millions d’années lumières de nous ! » La lumière bleue des étoiles apporte aux scientifiques les informations qui vont permettre de retracer et standardiser leur évolution. À partir de cela, il est établi des modèles, de plus en plus précis, de la naissance et de la petite enfance des étoiles.

The bright streak of glowing gas and stars in this NASA/ESA Hubble Space Telescope image is known as PGC 51017, or SBSG 1415+437. It is type of galaxy known as a blue compact dwarf. This particular dwarf is well studied and has an interesting star formation history. Astronomers initially thought that SBS 1415+437 was a very young galaxy currently undergoing its very first burst of star formation, but more recent studies have suggested that the galaxy is in fact a little older, containing stars over 1.3 billion years old. Starbursts are an area of ongoing research for astronomers — short-lived and intense periods of star formation, during which huge amounts of gas within a galaxy are hungrily used up to form newborn stars. They have been seen in gas-rich disc galaxies, and in some lower-mass dwarfs. However, it is still unclear whether all dwarf galaxies experience starbursts as part of their evolution. It is possible that dwarf galaxies undergo a star formation cycle, with bursts occurring repeatedly over time. SBS 1415+437 is an interesting target for another reason. Dwarf galaxies like this are thought to have formed early in the Universe, producing some of the very first stars before merging together to create more massive galaxies. Dwarf galaxies which contain very few of the heavier elements formed from having several generations of stars, like SBS 1415+437, remain some of the best places to study star-forming processes similar to those thought to occur in the early Universe. However, it seems that our nearby patch of the Universe may not contain any galaxies that are currently undergoing their first burst of star formation. A version of this image was entered into the Hubble’s Hidden Treasures image processing competition by contestant Nick Rose.
Le nuage de lumière bleue au centre de cette image du télescope Hubble est connu sous le nom de PGC 51017, ou SBSG 1415+437, une autre galaxie naine bleue compacte.

 

Si les galaxies naines bleues compactes portent leur nom en raison des amas d’étoiles naissantes qui les composent, elles n’en sont pas pour autant de jeunes galaxies. « Il y a parmi ces étoiles bleues, quelques étoiles gigantesques et rouges, prêtes à finir leur vie,  » raconte le chercheur. « Celles-ci montrent que ces galaxies naines sont très âgées ». Véritables pouponnières à étoiles professionnelles qui explosent dans tous les sens, les naines bleues compactes sont les galaxies les moins évoluées chimiquement dans l’univers. Elles pourraient, selon certains scientifiques, être des fossiles vivants du temps des premières galaxies. « Elles constituent en tout cas d’excellentes zones dans l’univers local pour étudier la formation d’étoiles et l’évolution des galaxies…Tout ça, grâce à une jolie lumière bleue, » conclut l’astrophysicien.

Renaud Levantidis

Comment faire parler la lumière ?

La lumière, c’est la matière première des astrophysiciens. Pourtant si simple, si commune, c’est elle qui transporte l’information à travers tout l’univers. Son analyse approfondie n’est en revanche pas une mince affaire.

« Aujourd’hui, on ne regarde plus dans un télescope à la recherche de jolies images, » explique Georges Comte, astrophysicien émérite au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, « on fait de la spectrographie, ou l’art d’analyser ce que dit la lumière. » La spectrographie décompose la lumière, comme le fait un arc-en-ciel. « Le travail du scientifique est alors de repérer et d’expliquer les anomalies du spectre de la lumière, » déclare le chercheur.

Spectre du soleilSpectre du Soleil – © NOAO – Kitt Peak Observatory

Un spectre lumineux est certes bien moins impressionnant qu’une vue d’artiste ou qu’une photo prise avec le reflex que vous avez eu à Noël, mais c’est l’essence même de la lumière. De fines raies noires s’y cachent, chacune signifiant une donnée précise : telle bande correspond à l’azote, telles bandes au fer, telles autres à l’hydrogène. En analysant l’ensemble de ces raies dites d’absorption, les scientifiques peuvent décrypter quels sont les éléments qui composent l’émetteur de lumière. « C’est comme cela que nous pouvons savoir de quoi sont constituées les étoiles aux confins de l’univers, » explique Georges Comte.

Nébuleuse d'orionRaies d'émission nébuleuse d'orion

Messier 42, la grande nébuleuse dOrion et son spectre d’émission qui permet de voir quelles molécules la compose

Aussi, en regardant le continuum lumineux, c’est à dire la composante continue du flux d’énergie de la lumière le long de son spectre, les scientifiques peuvent déterminer la température de l’étoile, puis sa masse et sa luminosité. En la comparant ensuite aux autres étoiles, vient son âge. Pour cela, les astrophysiciens utilisent aussi la photométrie qui s’intéresse à l’intensité lumineuse dans des filtres larges et non aux spectres. Et l’astrophysicien de conclure : « La lumière, c’est notre matière première. C’est tout ce qu’on peut étudier, c’est tout ce qu’on a. »

Renaud Levantidis

Dans les coulisses d’Éclats de Lumière

Le mardi 12 mai 2015, tout l’équipe du comité Éclats de Lumière était à la Fondation Vasarely à Aix-en-Provence pour monter les expositions « lumière en balade » et « Lumière en image. » Reportage photos de cette journée riche en émotions.

Venez profiter de l’exposition du 13 au 31 mai à la Fondation Vasarely !

Ce diaporama nécessite JavaScript.

Le soleil disparaît, Éclats de Lumière jaillit

Ce vendredi 20 mars, c’est l’équinoxe de printemps. Mais si vous avez le regard pointé vers le ciel, c’est pour voir le majestueux spectacle de la lune cachant partiellement le soleil. Et en revenant sur terre, vous verrez qu’Éclats de Lumière est né.

Vendredi 20 mars au matin, le Soleil, la Lune et la Terre s’alignent presque parfaitement le temps de quelques heures. C’est une éclipse partielle qui est visible en France entre 9 heures et 12 heures, selon les régions. Les observateurs équipés voient alors jusqu’à 80 % du disque solaire disparaître derrière la Lune.

Attention toutefois, comme le rappelle le ministère de la santé : « L’observation d’un tel événement nécessite impérativement de se protéger les yeux afin d’éviter toute lésion oculaire, particulièrement chez les enfants. Une observation directe du soleil, sans protection adéquate, peut entraîner des effets irréversibles et conduire à une altération définitive de la vue. La Direction Générale de la Santé recommande aux personnes qui souhaitent observer l’éclipse partielle de soleil du 20 mars 2015 dans de bonnes conditions de sécurité, de se munir de moyens de protection adéquats pour une observation directe du soleil. Les parents doivent particulièrement veiller à protéger leurs enfants. Des lunettes de protection spéciales peuvent être acquises chez des opticiens, dans des magasins spécialisés ou chez certains pharmaciens. »

À noter que la prochaine éclipse partielle n’aura lieu qu’en 2021. Pour une éclipse totale, il faudra en revanche attendre 2059, la dernière ayant eu lieu en 1999.

Au même moment, alors que les astres se croisent, un nouveau-né arrive sur la Terre ferme. Et sur l’internet. C’est le projet Éclats de Lumière porté par un consortium de laboratoires de recherche de la région Provence-Alpes-Côte d’Azur. Derrière ce nom, se cache la célébration de l’Année Internationale de la Lumière portée par de nombreux événements et manifestations qui viendront ponctuer l’année 2015.

Sur le site http://www.eclatsdelumiere.fr, vous trouverez toutes les informations relatives au projet qui illuminera votre année.

Données de l’éclipse à Marseille et la région alentour : 

  • Début de l’éclipse partielle à 9 h 16
  • Maximum de l’éclipse partielle à 10 h 23
  • Fraction occultée par la Lune du diamètre solaire : 0,709
  • Hauteur du Soleil au-dessus de l’horizon sud-est : 36°
  • Fin de l’éclipse partielle à 11 h 35