Une arnaque pour touriste

L’univers est peuplé d’objets célestes incroyables. Immenses, lumineux, colorés, les nuages de gaz ou les galaxies font rêver. Pourtant, ce ne sont qu’une infime fraction de ce qui nous entoure vraiment. Pire encore, ces belles couleurs seraient invisibles à l’œil nu. Un voyageur spatial serait en fait quelque peu déçu.

La matière qui nous constitue, nous ainsi que tous les objets célestes que nous observons, ne correspond qu’à environ 4% du contenu de l’univers. D’après les scientifiques, 21% du reste serait de la matière « noire », et 75% de l’ « énergie noire », deux composants de l’univers aujourd’hui complètement inobservables par l’humain. « On ne voit pratiquement rien de notre univers, » ironise Stéphane Basa, directeur de recherche au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille. En effet, l’homme ne peut observer que grâce à la lumière, c’est notre seul messager, « indispensable mais totalement biaisé, » explique le chercheur. Le photon, la particule qui compose la lumière, est émis par les étoiles qui ne sont donc qu’une toute petite fraction de l’univers. Si tout le reste est invisible, il est d’autant plus difficile pour les scientifiques de développer des appareils capables de détecter matière noire et énergie noire. « On n’a que la lumière ! », s’exclame Stéphane Basa, « ce qui n’en émet pas ou qui ne la transforme pas, donc tout le reste, nous est fondamentalement invisible et mystérieux! ».

NGC-6611-nebuleuse-aigle-640x480La nébuleuse de l’aigle aussi connue sous le nom de NGC 6611. Crédit : Hubble/NASA.

Dans le couloir opposé du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, c’est Georges Comte, astrophysicien émérite, qui s’insurge : « Toutes ces images de galaxies et de nébuleuses que vous voyez, c’est bien évidemment rendu plus joli par traitement ! ». La plupart des télescopes utilisent des caméras CCD avec des filtres pour observer et rendre de belles images. Le capteur CCD transforme le nombre de photons captés en un signal électrique qui sera numérisé, ceci après passage à travers des filtres de couleur. « On recombine les images avec ce qu’on a obtenu dans chaque filtre, » explique Georges Comte, « c’est donc artificiel, mais ça correspond plus ou moins à une vraie couleur. » En revanche, l’œil humain serait incapable de voir autant de détails et de tonalités. Tous les dixièmes de seconde, notre cerveau rafraîchit l’information captée par la rétine : un mécanisme indispensable pour la vision des mouvements et du monde alentour. « Mais pour capter la lumière lointaine des galaxies, les télescopes posent longtemps sur un même champ », déclare le chercheur. L’intensité lumineuse trop faible des objets célestes couplée à l’impossibilité pour l’œil humain de voir les couleurs en vision nocturne (« La nuit, tous les chats sont gris ! ») fait qu’ « à l’œil, tous ces astres et nébuleuses magnifiques ne deviennent que des amas laiteux, blanchâtres, sans grand intérêt esthétique » clame Georges Comte.

m82-supernovaLa galaxie M82 sans retraitement des couleurs. Les lignes blanches indiquent la présence d’une supernovae (soit l’explosion d’une étoile.) Crédits : UCL/University of London Observatory

La lumière, aussi utile et chaleureuse soit-elle, est une limite, un biais en soi, « une arnaque pour les touristes que nous sommes, » lance Stéphane Basa. Et Georges Comte d’ajouter : « le duo lumière-œil marche bien, mais a des pouvoirs bien restreints quand il s’agit de regarder l’espace. »

En une de l’article, la galaxie Whirlpool aussi connue sous le nom de M51. Elle absorbe NGC 5195, son compagnon à droite. Crédit : Hubble/NASA

Renaud Levantidis

Sélectionner la bonne lumière

À l’institut Fresnel, spécialisé en recherche optique, une équipe de chercheurs développe des filtres dotés d’une précision redoutable. Les couches minces optiques permettent de choisir quelle longueur d’onde sera observée. Elles sont vérifiées grâce à un microscope unique au monde.

De quoi sont faits les filtres anti-reflets de vos lunettes ? À l’Institut Fresnel, un laboratoire de recherche en optique de Marseille, l’équipe de recherche RCMO (pour Recherche en matériaux, composants et technologies de Couches Minces Optiques) travaille au développement de filtres capables de manipuler la lumière à la surface du verre. « Nous travaillons surtout sur des filtres utilisés en astrophysique, » explique Laetitia Abel-Tiberini, maître de conférence et membre de l’équipe RCMO, « mais l’idée de base est la même que pour les couches anti-reflets habituelles ».

Pour faire un bon filtre, dénommé « couche mince optique », prenez un peu de silice et un zeste de pentoxyde de tantale, deux matériaux aux propriétés optiques particulières. Chauffez les ensuite pour qu’ils s’évaporent et viennent se déposer en couches successives sur une surface en verre. C’est l’alternance de ces couches et le contrôle de leur épaisseur qui crée le filtre. « Nous pouvons ainsi constituer des filtres qui ne laissent passer qu’une seule longueur d’onde lumineuse, des filtres qui au contraire absorbent une ou plusieurs longueur d’onde, ou des filtres anti-reflets, » raconte Laetitia Abel-Tiberini.

Dans l’espace, le poids a un prix considérable, de l’ordre de 10000 euros par kilo envoyé. « L’idée c’est de réduire au maximum ce poids pour éviter les surcoûts, » déclare la chercheuse. Grâce au travail de l’équipe RCMO, les lourdes roues mécaniques à filtres sont devenues des filtres mosaïques hyper légers et d’une efficacité redoutable : « nous atteignons 99% d’efficacité des filtres sans problème, » explique-t-elle. Un filtre mosaïque est un ensemble de minuscules cubes de 20 micromètres de coté et de 5 micromètres d’épaisseur. Chaque cube, qui est un filtre en soit, correspond à un pixel de la caméra. « Nous réalisons des carrés de 9 filtres que l’on reproduit en série à la surface du capteur, » confit Laetitia Abel-Tiberini, « on perd donc en résolution car seulement un pixel sur neuf est à une couleur déterminée, mais la précision des caméra actuelles empêche que cela soit gênant. »

Mais le véritable tour de force de l’équipe RCMO c’est la création, il y a peu, d’un microscope unique au monde : le microscope spectral ou banc de caractérisation qui permet de faire des mesures avec une résolution spatial de deux micromètres et un résolution spectrale de 0,5 nm. Ce microscope, au-delà du rôle habituel qu’on attend d’un tel appareil, permet aussi de faire de la spectrographie. «  C’est comme si la lumière passait en plus dans un prisme qui la diffractait, » explique Laetitia Abel-Tiberini. Grâce à cet outil, Laetitia et son équipe peuvent vérifier quasiment au micron près la réalisation de leur travail. Une précision inégalée qui offre aux astrophysiciens de quoi observer l’univers avec encore plus d’attention.

Renaud LEVANTIDIS

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).

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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.

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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.

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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.

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Crédit : NASA.

Renaud Levantidis

Le mystère I Zwicky 18

I Zwicky 18 est une galaxie irrégulière située dans la constellation de la Grande Ourse à environ 59 millions d’années-lumière de la Voie lactée. Sa composition chimique et sa morphologie en font un lieu d’étude privilégié pour percer les mystères de l’univers.

I Zwicky 18 n’est pas le nom de code d’un programme top secret ou l’immatriculation d’un cyborg extraterrestre. C’est une galaxie naine bleue compacte que certains nomment aussi Markarian 116. Sa morphologie et sa composition chimique sont celles qu’on rencontre habituellement chez les galaxies les plus lointaines, et donc observées peu après leur formation. Deux de ses régions particulièrement brillantes sont riches en jeunes étoiles bleues faisant de I Zwicky 18 un laboratoire parfait pour observer la naissance et la petite enfance des étoiles.

Cependant, les observations spectroscopiques de I Zwicky 18 depuis la Terre ont montré que cette galaxie est presque exclusivement constituée d’hydrogène et d’hélium, deux éléments très légers issus de la nucléosynthèse primordiale du Big Bang. « Sa métallicité est donc très faible : elle ne contient que très peu d’éléments lourds, tels que le carbone, l’oxygène ou le fer, susceptibles de catalyser la formation de nouvelles étoiles, » explique Georges Comte, astrophysicien émérite au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, « la raison pour laquelle cette galaxie connaît actuellement un sursaut de formation stellaire demeure ainsi une énigme qui passionne mes confrères et moi même. »

I_Zwicky_18Au centre, I Zwicky 18 donne l’impression de s’enfoncer dans des nuages. Il s’agit en fait de                                                                                                           filaments de gaz issus de supernovae. Photo prise par le télescope Hubble.

I Zwicky 18 est entourée de volutes bleues, filaments de gaz issus d’une génération précédente de jeunes étoiles chaudes, expulsées du cœur de la galaxie par leur vent stellaire et leurs explosions en supernovae. Pourquoi diable I Zwicky 18 s’écarte-t-elle de la physique interstellaire usuelle ? Personne ne le sait. « Et ce n’est pas faute d’essayer de le savoir ! » déclare Georges Comte. I Zwicky 18 a fait l’objet d’études poussées à l’aide de la plupart des instruments d’observation disponibles, qu’il s’agisse du télescope spatial Spitzer dans le domaine infrarouge, du télescope spatial Hubble dans le domaine de la lumière visible, du télescope spatial FUSE dans l’ultraviolet et du télescope spatial Chandra dans le domaine des rayons X.

« Toutes les données ont été analysées, décortiquées, chaque information apportée par la lumière qu’elle émet a été passée à la loupe, » explique le chercheur. Rien n’y fait. Au travers d’ I Zwicky 18, l’univers nous rappelle qu’il nous cache encore bien des secrets.

 

Renaud Levantidis

 

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