astronomie

   Voici aujourd’hui la suite des « brèves » publiées au fil des mois dans le blog FaceBook de Céphéides et concernant « le ciel lointain ».

ÉTOILES EN FUITE

  galaxie elliptique M 87

Récemment, le Harvard Smithsonian Center (Massachusetts, USA) a découvert un objet très éloigné se rapprochant de nous à la vitesse record de 8 millions de km/h. L'hypothèse la plus probable est qu'il s'agit d'un groupe "d'étoiles errantes" (run away stars en anglais ou étoiles en fuite) échappées de la grande galaxie M87.

   Échappées ? Expulsées plutôt de cette galaxie qui est une supergéante elliptique dont la masse est 200 fois celle de notre propre galaxie, la Voie lactée. M87 possède en son centre un trou noir géant mais en avait jadis deux et c'est l'interaction entre ces deux monstres cosmiques qui a vraisemblablement éjecté ce groupe d'étoiles devenues errantes dans le vide du cosmos.

   La distance, toutefois, est si importante entre M87 et nous (53 millions d'année-lumière) que ces "étoiles en fuite" sont destinées à errer éternellement dans le vide : elles n'arriveront jamais jusqu’à nous avant leur mort naturelle dans plusieurs milliards d'années... D'ailleurs, y arriveraient-elles qu'elles n'auraient quasiment aucune chance d'y heurter une autre étoile tant l'intervalle entre les astres est grand ! C'est que l'espace est si vaste... et si vide...

Pour en savoir plus sur les étoiles errantes : étoiles doubles et systèmes multiples 

Photo : la galaxie elliptique géante M87 (crédits : NASA)

GALAXIES CANNIBALES

   galaxie M 51 absorbant la galaxie NGC  5195

   Les galaxies s'éloignent les unes des autres, on le sait depuis l'astronome Edwin Hubble, sauf celles qui se trouvent dans un même groupe proche où les forces de gravitation, au contraire, les rapprochent. Dans le groupe de notre galaxie la Voie lactée (appelé "groupe local"), il y a une galaxie géante, la galaxie d'Andromède, un peu plus grosse que la nôtre, et une cinquantaine d'autres galaxies moins importantes.

   De ce fait, Andromède et la Voie lactée vont se percuter... dans 2 à 3 milliards d'années pour donner une galaxie supergéante. Les êtres vivants intelligents de ces temps lointains (s'il y en a) n'ont toutefois pas de souci à se faire : l'intervalle entre les multiples soleils de chaque galaxie (pourtant 200 milliards d'étoiles environ chacune) sont si importants qu'il n'y aura pratiquement jamais de chocs frontaux. Toutefois, les forces gravitationnelles étant à l'œuvre, il y aura réorganisation de l'ensemble (gaz, poussières, étoiles, etc.).

   Jusqu'à il y a peu, les scientifiques étaient persuadés que le résultat d'une telle réunion aboutirait à une gigantesque galaxie globulaire. Raté ! Des astronomes japonais et américains ont étudié 37 galaxies émergeant de fusions galactiques et leurs travaux sont sans appel : la résultante est une nouvelle galaxie elliptique, simplement plus volumineuse. La faute aux gaz qui reprennent rapidement leurs rotations circulaires... et peut-être aussi à la matière noire dont on ne sait pas ce que c'est mais dont nous sommes à peu près sûrs qu'elle intervient dans ces gigantesques ballets cosmiques.

   La galaxie qui "avale" l'autre est par définition la plus grosse et elle est appelée "cannibale" par les scientifiques. La Voie lactée a ainsi "cannibalisé" autour d'elle plusieurs petites galaxies satellites mais c'est certainement Andromède qui sera à terme dénommée cannibale...

Pour en savoir plus : https://www.cepheides.fr/article-de-l-astronomie-galaxies-ca…

Photo : la galaxie M51 (dite galaxie Whirlpool ou galaxie du tourbillon) absorbant sa voisine NGC 5195 (sources : www.astronoo.com)

LE COSMOS EST TOUJOURS EN MOUVEMENT

   naine rouge (étoile de Barnard) comparée au Soleil

   Les Anciens croyaient que les étoiles étaient des joyaux accrochés à une sphère de velours tournant autour de la Terre, que les étoiles, en somme, étaient immobiles les unes par rapport aux autres : rien n'est plus faux !

   Les étoiles bougent continuellement. Par exemple, notre Soleil, modeste étoile située en périphérie de la Voie lactée, tourne (avec son cortège de planètes) autour du centre galactique à la vitesse de 217 km/sec.

    Il y a 70 000 ans, une étoile a frôlé notre système solaire en passant dans sa banlieue, à moins de 0,8 année-lumière alors que notre plus proche voisine, alpha (ou Proxima) du Centaure est une naine rouge située à 4,2 années-lumière d'ici.

   C'est en reconstituant la trajectoire de cette étoile, appelée "étoile de Sholz", probablement une naine rouge comme Proxima, que les astronomes ont fait cette étrange découverte. Aujourd'hui, Sholz est située à plus de 20 années-lumière et elle s'éloigne encore de nous mais que serait-il advenu si les distances avaient été un tout petit peu plus courtes ? Nous ne serions pas là pour en parler...

   Les naines rouges, des étoiles de petite taille et peu lumineuses représentent plus de 80% de toutes les étoiles (tandis que notre Soleil est une naine jaune, un peu plus brillante). Pas étonnant dès lors que ce soit l'une d'entre elles qui soit venue nous rendre visite il n'y a pas si longtemps (en termes géologiques) !

Photo : une naine rouge, l'étoile de Barnard, notre 2ème plus proche voisine, comparée au Soleil et à Jupiter (crédits : Wikipédia France)

LE PHÉNOMÈNE LE PLUS VIOLENT DE L'UNIVERS

Il y a 30 ans (le 23 février 1987) explosait une supernova (S-69-202) dans le petit nuage de Magellan, une galaxie naine satellite de notre Voie lactée. À un peu moins de 170 000 années-lumière de nous ce qui n'est pas si loin puisque, d'habitude, ce type d'événement peut être visible depuis les confins de l'Univers, à des milliards d'années-lumière...

   Car une supernova, c'est une explosion si puissante qu'elle peut illuminer tout l'Univers. Par exemple, si S-69-202 avait terminé sa vie dans notre galaxie, elle aurait été visible à l’œil nu depuis la Terre même en plein jour et, la nuit, elle aurait dépassé l'éclat de la pleine lune. Et cela durant plusieurs semaines...

   Les supernovas sont rares au point qu'il n'y en a pas eu dans la Voie lactée depuis plusieurs siècles. Ce phénomène caractérise la fin de vie d'étoiles massives, bien plus grosses que le Soleil : il s'agit le plus souvent de supergéantes bleues très jeunes (quelques dizaines de millions d'années au plus) qui épuisent donc très rapidement leur carburant nucléaire et se transforment en supergéantes rouges instables. À ce stade, le noyau de l'étoile s'effondre sur lui-même en donnant naissance à des étoiles à neutrons (dont certaines deviennent des pulsars), voire, pour les plus massives, à des trous noirs.

   Lorsqu'elle s'effondre sur elle-même, la résultante lumineuse du phénomène est si intense que cette lumière éclipse durant quelque temps celle de toutes les autres étoiles présentes dans la galaxie qui sont pourtant des milliards. Inutile de préciser qu'il ne fait pas bon pour un organisme vivant de se trouver à proximité du cataclysme...

   En attendant d'observer une supernova interne à la Voie lactée (assez distante, on l'espère), les scientifiques surveillent S-69-202 depuis 15 ans ce qui leur permet d'affiner les modèles évolutifs de ces phénomènes exceptionnels qui restent parmi les plus violents de l'Univers.

Pour en savoir plus : https://www.cepheides.fr/article-de-l-astronomie-novas-et-su…

Photo : cidehom.com

UNE PREUVE DE PLUS QUE EINSTEIN AVAIT RAISON

   Dans sa théorie de la relativité générale Einstein explique la structure de l'Univers sous la forme de l'association inséparable de l'espace et du temps. Il explique notamment que plus un objet de l'Univers est massif, plus il "creuse" et courbe l'espace qui l'entoure. Bien entendu, à notre échelle, le phénomène reste indétectable.

   En revanche, lorsqu'on observe de grands ensembles comme les galaxies, la structure de l'espace est modifiée de façon substantielle et, dès 1920, la démonstration en a été faite à l'occasion d'une éclipse solaire. Le phénomène a été appelé lentille (ou mirage) gravitationnelle. : la présence d'un objet massif entre la source (par exemple une étoile lointaine) et un observateur fait que celui-ci verra plusieurs images de l'étoile lointaine en raison des différentes courbures de l'espace.

   Un immense amas de galaxies (baptisé du nom barbare de MACSJ1149.6+2223) est situé entre nous et une lointaine galaxie. Du coup, on peut observer pas moins de trois images différentes de la dite galaxie ! Et, incroyable coup de chance, une supernova (l'explosion très brillante d'une grosse étoile en fin de vie) a été détectée dans la galaxie lointaine : les astronomes s'attendaient donc à en voir trois fois l'image.

   Et c'est bien ce qu'il s'est produit : le télescope spatial Hubble a pris une photo de la supernova apparue en novembre 2014 tandis que celle-ci était déjà visible sur une image en 1995 (sans que l'on ait pris de photo à l'époque) et les astronomes attendent la troisième image de la supernova entre 2017 et 2020 !

   La lumière est bien déviée par la présence d'objets massifs qui déforment l'espace et elle finit par suivre des chemins différents qui n'arrivent pas au même moment à l’œil de l'observateur. Einstein l'avait, il y a déjà bien longtemps, compris avant tout le monde !

Sur cette photographie, on peut voir quatre images du même quasar Q2237+0305 en raison de la galaxie (située entre lui et l'observateur) qui courbe l'espace : cette lentille gravitationnelle est appelée la "croix d'Einstein".

(On rappelle qu'un quasar est une puissante source de lumière, provenant probablement du trou noir central très actif d'une galaxie lointaine)

Crédits image : noao.edu

SE MÉFIER DE TOUT !

observatoire de Parkes (Australie)

   L'observatoire de Parkes en Nouvelle-Galles du Sud (Australie) est très réputé puisqu'il est notamment connu pour avoir suivi les trajectoires de nombreuses sondes spatiales et même pour avoir diffusé le premier les images de Neil Armstrong sur la Lune.

   Il était pourtant confronté depuis 17 ans à une énigme qui a passionné (et énervé) des dizaines d'astronomes : la détection de signaux inconnus, un son aigu suivi d'un son plus grave, attribués tout d'abord à un phénomène extraterrestre cataclysmique et lointain. Les scientifiques ont même été jusqu'à baptiser ces signaux bizarres du sigle de FRB (Fast Radio Burst pour sursauts radio rapides).

   Mais, très étrange, on s'est ensuite rendu compte que les signaux provenaient de plusieurs sources différentes (donc terrestres) et on attribua le phénomène à la foudre... jusqu'à ce qu'on se rende compte que cet étrange phénomène avait plutôt tendance à se produire au moment des repas !

   En réalité, les signaux mystérieux provenaient de la cuisine de l'observatoire et, de façon plus précise, de ses fours à micro-ondes ! La solution - à la façon de la "lettre volée" d'Egar Allan Poe - se trouvait sous les yeux des scientifiques... abusés quand même durant 17 ans !

Image : l'observatoire de Parkes, en Australie
(sources : sites.ostralo.net)

UNE NOVA ... QUI N'EN ÉTAIT PAS UNE !

   En 1670, Anthelme Voituret, un moine chartreux qui observait régulièrement le ciel, repéra une nouvelle étoile. Très rouge, l'astre était situé dans la constellation du petit Renard - Vulpecula en latin - et le moine nomma sa découverte fort logiquement Nova Vulpecula 1670. Or, à sa grande stupéfaction, il la vit disparaître au bout de quelques semaines pour réapparaître au printemps suivant ainsi qu'en 1672. Ensuite, plus rien...

   Au XXème siècle, les scientifiques conclurent qu'il s'agissait d'une nova (à ne pas confondre avec une supernova !), c'est à dire une étoile qui devient très brillante avant, quelques jours plus tard, de revenir à son éclat habituel. Il s'agit presque toujours d'une binaire, c'est à dire un couple d'étoiles (ce qui est très fréquent) associant une naine blanche et une géante rouge. Rappelons qu'une naine blanche est un cadavre d'étoile hyperdense (comme le sera un jour notre Soleil) et une géante rouge une étoile en fin de vie (le Soleil passera également par ce stade). Lorsque la géante rouge grossit, elle se rapproche de sa compagne d'où de gigantesques explosions thermonucléaires expliquant les variations de luminosité.

   Eh bien, on avait tout faux ! Des études récentes effectuées à l'aide d'instruments plus précis ont permis de montrer qu'il s'agissait d'un choc entre deux étoiles "normales". La résultante en a été la destruction des deux astres remplacés temporairement par un objet de fusion rouge extrêmement brillant. C'est un phénomène extrêmement rare puisqu'on estime que, lors de la collision entre deux galaxies, les espaces entre les étoiles sont si grands qu'il n'y a pratiquement aucune chance pour qu'il y ait des heurts entre elles !

Image : vue d'artiste d'une nova
(sources : www.astronomes.com)

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mise à jour : 21 mars 2023

   En astronomie il existe une curiosité : les étoiles « moyennes » n’y ont pas droit de cité. En effet, les étoiles sont seulement divisées en deux grandes catégories, les naines (comme le Soleil qui est une naine jaune) et les géantes. Parmi ces dernières, il existe des géantes bleues, des supergéantes rouges ou blanches, d’autres encore correspondant souvent à différents stades de leur évolution. Au point qu’ on finit par un peu tout mélanger… Essayons de mettre un peu d’ordre dans tout cela.

classification des étoiles

   Longtemps, les étoiles ont été classées par nos ancêtres en fonction de leur apparente luminosité à l’œil nu mais c’était illusoire : certaines étoiles, proches, sont aussi brillantes que d’autres, bien plus grosses et lumineuses mais beaucoup plus éloignées. C’est même cette erreur de perspective qui poussa à l’association d’étoiles en apparence voisines dans des constructions imaginaires, les constellations, qui permirent dans un premier temps aux caravaniers, puis aux marins, de mieux se repérer la nuit venue. Avec l’apparition des outils d’observation modernes, il s’avéra évident que l’on devait trouver d’autres moyens d’identification pour ces astres bien différents de ce que l’on croyait.

   Les étoiles possèdent quatre propriétés principales : leur température de surface,  leur gravité de surface, leur masse, et leur luminosité. Ce sont ces caractéristiques qui vont permettre d’associer à chaque étoile un groupe spectral. En résumé, la répartition de l’énergie lumineuse d’une étoile rapportée à sa longueur d’onde identifiera le spectre de l’étoile. Plus une étoile est chaude et plus sa couleur va tendre vers le bleu alors que, à l’inverse, moins elle sera chaude et plus elle ira vers le rouge. De ce fait, un moyen sommaire de savoir la température de surface d’une étoile est donc d’apprécier sa couleur. Dans un ordre décroissant de température, une étoile sera violette (la plus chaude), bleue, blanche, jaune, orange et rouge (la moins chaude). Il s’agit là d’une loi basique de la physique : plus un corps est chaud et plus les photons qui s’en échappent sont énergétiques et donc plus leur longueur d’onde est courte. On peut être encore plus précis en analysant différentes stries - les raies d’absorption - qui donnent à chaque étoile une caractéristique bien particulière : son type spectral.

classification de Harvard

   La classification de l’observatoire de Harvard (USA) fut le fruit de l’énorme travail de Henry Draper et de ses successeurs, publié dans le Henry Draper Catalogue, paru en 1924 et contenant les caractéristiques spectrales (fondées surtout sur les températures de surface) de plus de 225 000 étoiles. Elle reconnaît sept types spectraux principaux identifiés par des lettres majuscules : O, B, A, F, G, K et M. Les étoiles marquées O sont les plus chaudes (donc les plus bleues) tandis que celles de classe M sont les plus froides (ou plutôt les moins chaudes) et donc rouges. On peut se demander pourquoi le choix de telles lettres alors qu’il eût été facile de s’en tenir à l’ordre alphabétique. L’explication est comme souvent historique : on commença par classer les étoiles en fonction des raies d’absorption de leurs spectres, d’abord l’hydrogène puis d’autres corps tels le calcium, le sodium, etc. Les anglo-saxons ont un bon moyen mnémotechnique pour se souvenir de cette curieuse classification avec la phrase suivante : « Oh, Be A Fine Girl (Guy), Kiss Me ! ».

image : Alcyon, une géante bleue de type O ou B

   À cette notion de spectre, on ajoute celle de luminosité (numérotée en chiffres romains de I à VI) ce qui permet de différencier les étoiles normales de celles ayant déjà évolué en géantes. En effet, il existe, on l’a déjà dit, une relation entre cette luminosité et la température de surface (calculable donc par spectroscopie) : on peut, à partir de cette relation, déduire le rayon d’une étoile.

   Après avoir caractérisé chacune des étoiles observées, on a dressé une « carte » de leur répartition dans un grand diagramme.

diagramme de Hertzsprung-Russell…qu’on appellera plus aisément le diagramme HR

   Au début du XXème siècle, deux scientifiques (Hertzsprung et Russell) travaillèrent (séparément) sur une carte capable de classer visuellement les étoiles. Leur diagramme représente la luminosité de ces astres en fonction de leur température et, par convention, on aura la luminosité en ordonnée et la température en abscisse.

le diagramme de Hertzsprung-Russell

   Quel est l’intérêt d’un tel diagramme ? Eh bien, il permet de deviner où en est de son existence une étoile particulière et de repérer assez facilement tous les astres qui, pour une raison ou une autre, s’écartent du groupe moyen principal. En effet, on peut y reconnaître deux grands groupes d’étoiles : le groupe le plus important le long d’une diagonale et un groupe moins important mais néanmoins conséquent au dessus.

   La diagonale (qui va du coin supérieur gauche, chaud et lumineux, au coin inférieur droit, froid et peu lumineux) est appelé « séquence principale » et c’est là que la majorité des étoiles passe le plus clair de leur temps (90%) à tranquillement brûler leur hydrogène. Certaines d’entre elles, comme les naines rouges, peuvent rester à cet endroit du graphe durant des dizaines de milliards d’années.

   En revanche, un groupe important d’étoiles se situe au dessus de la séquence principale ; ce sont des géantes et c’est à elles que nous allons aujourd’hui nous intéresser. Enfin, en dessous de la diagonale principale, on trouve les naines blanches qui sont en réalité des cadavres d’étoiles qui se refroidissent lentement (plusieurs dizaines de milliards d’années avant de devenir des naines noires).

   Pour les étoiles, tout est une question de taille. Certaines d’entre elles ayant épuisé leur réserve d’hydrogène voient leurs couches externes gonfler et s’éloigner alors de leur cœur central ; dès lors, le froid de l’espace va agir sur elles et c’est de cette manière que l’étoile devient rouge. Ayant grossi en taille et perdu de la chaleur, ces étoiles quittent alors la séquence principale du diagramme HR. D’autres étoiles sont d’emblée des géantes, voire des supergéantes qui n’ont appartenu que très brièvement à cette séquence principale : c’est un autre type d’étoiles et un autre destin.

géantes bleues et supergéantes rouges

   Les géantes bleues sont très chaudes (25 000 K), très brillantes et leur type spectral est O ou B. Elles sont bien plus grosses que le Soleil, leur masse étant comprise entre 10 fois et 40 fois celle de notre étoile, voire plus. De ce fait, il s’agit d’astres dont l’espérance de vie est forcément courte (en termes astronomiques évidemment) puisqu’ils vivent entre 10 à 100 millions d’années, ce qui n’est rien par rapport au Soleil (10 milliards d’années) ou plus encore par comparaison avec les étoiles les plus nombreuses dans le cosmos, les naines rouges, dont chacune d’entre elles peut espérer exister durant plusieurs dizaines de milliards d’années.

   Comme toutes les autres étoiles, une géante bleue commence sa vie en transformant l’hydrogène en hélium sauf que sa taille gigantesque entraîne une énorme et rapide consommation de ce premier carburant. Très vite, l’étoile, à court d’hydrogène, va se mettre à fusionner son hélium, entraînant un gonflement de ses couches extérieures et donc leur refroidissement : l’étoile se transforme alors en supergéante rouge (seule exception, les très rares géantes bleues de masse supérieure à 40 fois celle du Soleil qui restent bleues). La fusion de l’hélium n’a qu’un temps : l’étoile va se mettre à fabriquer des métaux lourds tels que nickel, chrome, cobalt, titane, fer. C’est à ce stade qu’elle devient instable et explose en supernova (voir le sujet dédié ICI) : l’étoile mourante disperse alors sa matière dans l’espace sous la forme de nuages concentriques de matière et de gaz appelés rémanent de la supernova tandis que son cœur central peut évoluer de deux manières différentes selon la taille originelle de l’étoile : pour les moins massives, entre 8 et 30 à 40 masses solaires (MS), le cœur central se transforme en étoile à neutrons tandis que pour les plus grosses, il devient un trou noir.

image : le Soleil comparé à la supergéante rouge Cephei A

   Certaines des étoiles que nous venons de décrire évoluent en supernovas tandis que d’autres plus massives atteignent des températures fantastiquement élevées et expulsent dans le même temps leurs enveloppes externes. Parmi ces dernières, quelques unes arrivent au stade d’hypergéante jaune avant d’exploser mais la plupart ont un destin plus bizarre. Les étoiles les plus massives, qu’elles soient des supergéantes rouges ou bleues, évoluent transitoirement mais naturellement en un état bien particulier : ayant épuisé tout leur hydrogène, elle se mettent à fusionner leur hélium, puis des corps plus lourds. Elles produisent alors des vents stellaires extrêmement puissants, éjectant énormément de substance au point que leur corps central est totalement masqué, entouré par une bulle de matière. En réalité, cette phase ne dure pas longtemps (quelques centaines de milliers, voire un million d’années) avant qu’elles n’explosent en supernovas, une fois atteinte la transformation des métaux lourds en fer. Que leur origine soit une supergéante bleue, une supergéante rouge ou une étoile massive de la séquence principale, on appelle cette classe d’étoiles, des étoiles de Wolf-Rayet, en l’honneur des deux astronomes français qui les mirent en évidence au début du siècle dernier. Certains scientifiques pensent à présent qu’elles sont à l’origine des sursauts gamma que nous avons déjà évoqués (ICI).

image : étoile Wolff-Rayet 124 dans la  constellation de l'Aigle

   Certaines supergéantes rouges arrivées au stade terminal de leur vie sont bien connues des scientifiques depuis longtemps et surveillées attentivement par eux, à l’exemple de Bételgeuse (constellation d’Orion) ou d’Antarès (constellation du Scorpion) : on écrit parfois que les spécialistes s’attendent à ce qu’elles explosent « d’une minute à l’autre » ; il s’agit là d’un abus de langage car, bien que cette explosion soit théoriquement possible à tout moment, les durées en cause dépassent largement la vie d’un homme et même d’une civilisation.

Un exemple de supergéante rouge en fin de vie : Antarès

  Antarès doit son nom au dieu Arès (le dieu de la guerre des Grecs devenu Mars chez les Romains) car l’étoile est rouge à l’instar de la planète Mars qu’elle semblait « antagoniser » pour les anciens. C’est en réalité une étoile double située à 600 années-lumière de nous : l’étoile principale (Antarès A), celle qui nous intéresse, est une supergéante rouge tandis que sa compagne (Antarès B) est une géante bleue. Antarès A est immense puisque son diamètre est 888 fois celui du Soleil ce qui veut dire que si elle était à sa place, sa surface serait située au-delà de l’orbite de Mars… Comparé à cette supergéante, le Soleil apparaîtrait de la taille d’une petite bille à côté d’un ballon de football ! La luminosité d’Antarès est 10 000 fois plus importante que celle de notre étoile mais sa couleur rouge traduit sa faible température : 3 300° contre 5 500° pour le Soleil. Toutefois, c’est cette dernière caractéristique qui explique qu’une grande partie du rayonnement d’Antarès se fait dans l’infrarouge et, au bout du compte, la luminosité totale (dite biométrique) d’Antarès est de l’ordre de 60 000 fois celle du Soleil…

   Lorsque Antarès explosera en supernova, il est probable que sa lumière sera visible sur Terre même en plein jour ; il n’est toutefois pas certain que cet événement cataclysmique se produise durant la présence de l’Homme sur Terre, les « agendas » cosmiques et humains ayant peu à voir l’un avec l’autre.

géantes rouges

   En sus des étoiles naturellement géantes, les « naines » peuvent aussi se transformer en géantes lors de la dernière partie de leur vie (sauf celles d’une masse inférieure à 0,25 MS qui n’accèdent jamais à ce stade). Par quel mécanisme des étoiles de taille relativement modeste, comme le Soleil, peuvent-elles devenir des géantes rouges ? Revenons sur leur histoire.

   Il faut d’abord se souvenir du fait que toutes les étoiles débutent leur vie sur la séquence principale du diagramme HR où elles transforment paisiblement leur hydrogène en hélium. Leur plus ou moins longue présence à cet endroit dépend en réalité de leur taille. Prenons un exemple : en raison de sa grande surface, une étoile de deux masses solaires brûlera 10 fois plus vite son hydrogène que le Soleil alors que la quantité de son carburant n’est que deux fois plus élevée. La conséquence est strictement mathématique : cette étoile restera sur la séquence principale cinq fois moins longtemps. On comprend dès lors pourquoi les étoiles supergéantes sont repérées ailleurs que sur cette diagonale principale où leur présence est forcément très brève.

   Avec le temps, une étoile va donc voir progressivement diminuer son hydrogène et augmenter son hélium, un phénomène qui s’accompagne d’un léger accroissement de la luminosité de l’astre. Mais lorsque la quantité d’hydrogène arrive presque à épuisement, la combustion centrale s’arrête et les forces gravitationnelles commencent à prendre le dessus ; le noyau se contracte tandis que la température augmente d’où l’apparition d’une coquille périphérique d’hydrogène en fusion autour du centre stellaire : c’est le peu d’hydrogène restant qui est ainsi brûlé. Du gaz est alors expulsé vers l’extérieur ce qui aboutit à la dilatation de l’enveloppe externe de l’étoile. Cette dilatation entraîne un refroidissement : l’étoile devient en même temps géante et plus froide, donc rouge.

   Dans le noyau central qui ne contient plus que de l’hélium, la contraction continue tandis que la température augmente encore. Arrive le moment où les noyaux d’hélium vont eux-aussi fusionner, donnant à l’étoile une nouvelle source d’énergie. Toutefois, cette fusion durera bien moins longtemps que celle de l’hydrogène. Pour le Soleil, par exemple, on estime que, si la combustion de l’hydrogène sur la séquence principale, peut durer environ 10 milliards d’années (il est actuellement à mi-parcours), celle de l’hélium ne lui donnera que 2 milliards d’années supplémentaires d’espérance de vie.

   À ce stade de son existence, l’étoile est plus ou moins instable : en effet, la pression interne tend à dilater l’étoile mais les forces de gravitation ont l’effet inverse et, du coup, on assiste à des séquences de dilatation-contraction. Vu de loin, la taille de l’étoile n’est pas mesurable mais, par contre, chaque fois qu’il y a modification, la température - et donc la couleur - de l’étoile change… C’est ainsi que certaines étoiles variables ont été identifiées : ces étoiles dites pulsantes peuvent être très régulières dans leurs variations et c’est notamment le cas des céphéides qui ont permis, par le passé, de faire grandement avancer la connaissance des distances dans l’Univers.

image : cepheide RS Puppis et son cycle régulier de 5 à 6 semaines

   L’hélium venant à son tour à manquer, les réactions nucléaires le remplacent par d’autres éléments, tels l’oxygène ou le carbone. La situation à ce stade est devenue assez complexe : au centre subsiste un noyau éteint d’oxygène et de carbone avec autour une coquille d’hélium en fusion, elle-même entourée d’une coquille d’hydrogène également en fusion. L’étoile est instable et elle pulse. À chaque pulsation, une partie de l’enveloppe externe est éjectée, donnant l’impression de bouffées successives. Enfin, le noyau se retrouve pratiquement à nu. Comme il est très chaud, il va ioniser les gaz des différentes couches de l’enveloppe qu’il vient d’expulser donnant l’image d’une espèce de diamant trônant au centre d’une sphère lumineuse. Cette phase qui va durer entre 50 000 à 60 000 ans est appelé nébuleuse planétaire (les premiers observateurs pensaient qu’il s’agissait vraiment de planètes). Puis le gaz va se disperser et il ne restera plus que le noyau encore très chaud et très brillant qui sera baptisé du nom de naine blanche.

   Puisque, comme on l’a déjà signalé, la pression à l’intérieur du noyau est absolument colossale, l’objet qui résulte de toute ces transformations, la naine blanche, a à peu près la taille de la Terre… avec la masse du Soleil (quelques grammes de matière y pèsent autant que la Tour Eiffel). La naine blanche mettra des milliards d’années à perdre sa chaleur et sa luminosité pour aboutir enfin au stade de naine noire, un objet définitivement inerte.

Un exemple de naine blanche

   Il est très difficile d’observer une naine blanche parce que ces objets sont petits et que, progressivement, ils perdent de leur intensité lumineuse. C’est la raison pour laquelle n’ont pu être observées que des naines blanches relativement proches de nous, c’est-à-dire appartenant à la Voie lactée.

naine blanche HD 62166

   C’est notamment le cas de la naine blanche située au centre de la nébuleuse planétaire NGC 2240, dans la constellation de la Poupe. Elle fut pour la première fois observée par l’astronome britannique d’origine allemande William Herschel le 4 mars 1790 et répertoriée sous la dénomination HD 62166. Elle est assez facilement visible car il s’agit certainement d’une naine blanche très jeune et donc très chaude et lumineuse. On estime d’ailleurs sa chaleur à 200 000 K ce qui en fait tout simplement l’étoile la plus chaude actuellement connue. Dans l’image ci-dessus, on devine la naine au centre de ce qui est la nébuleuse planétaire en formation.

Les étoiles géantes sont rares et fragiles

   Nous avons déjà eu l’occasion de le préciser : dans notre galaxie (et il est totalement vraisemblable qu’il en soit de même dans les autres), la majorité des étoiles étant des naines, le plus souvent associées à d’autres étoiles dans ce que l’on appelle des systèmes binaires (ou, pour être plus exact, des systèmes multiples). Un peu comme une armée dont les géantes et supergéantes seraient les officiers supérieurs, le gros de la troupe étant représenté par les naines rouges.

   Les étoiles naissent en groupe, dans un halo puis, suivant leurs tailles respectives et les aléas de leur environnement, elles se séparent : il est ainsi impossible de savoir quelles étaient les étoiles ayant accompagné notre Soleil dans son halo de naissance. L’immense majorité des étoiles existantes ont des tailles voisines de celle du Soleil : les très petites (moins de 0,25 MS) sont aussi peu nombreuses que les géantes (8 MS et plus) et les supergéantes (à partir de 30-40 MS).

   Dans le halo primitif d’un groupe d’étoiles, il est difficile de savoir si la masse d’une étoile est acquise (tailles stellaires augmentées par accrétions successives) ou innée (géantes ou naines déterminées d’emblée) : les simulations informatiques sont valides dans les deux cas. Ce qui est certain, c’est que, à un moment donné, le nuage moléculaire préstellaire se fragmente en une certain nombre de condensations qui s’effondrent ensuite sur elles-mêmes pour donner naissance aux embryons d’étoiles.

   Les naines rouges sont très certainement les étoiles les plus nombreuses de l’Univers : entre 80 à 85% de l’ensemble. Si l’on se réfère à la Voie lactée, elles représentent alors à peu près 130 milliards d’étoiles… Les autres naines, jaunes et jaune-orangé notamment, sont estimées à environ 13% et, de ce fait, il ne reste que quelques pourcents pour les géantes (je rappelle que les naines blanches ne sont pas comptabilisées ici puisque ce ne sont plus des étoiles). Dans le tableau ci-joint, on peut, par exemple, se rendre compte de l’extrême rareté des supergéantes bleues (0,00003%).

Tableau des étoiles (classement_etoiles)

   Par une belle nuit d’été, en un endroit épargné par les lumières parasites qui, hélas, tendent aujourd’hui à se multiplier, il est possible à un observateur à la vue acérée de distinguer quelques milliers d’étoiles, bien loin évidemment des 150 milliards qui peuplent notre galaxie. En fait, il semble que ce soit trois mille étoiles. Parmi elles, aucune naine rouge qui sont pourtant les plus nombreuses : leur lumière qui ne dépasse pas 1% de celle du Soleil ne peut imprimer nos rétines et cela est vrai même pour la plus proche de nous, Proxima du Centaure.

   L’étoile la plus brillante de notre ciel nocturne est Sirius (1) étoile blanche de la séquence principale du diagramme HR, essentiellement visible parce que proche (8,5 années-lumière). Il en est de même pour Canopus (2) une supergéante peu massive qui rivalise avec elle quoique bien plus éloignée (310 années-lumière) et Arcturus (3), une géante rouge qui termine sa vie à 37 années-lumière de nous. On le comprend : les étoiles visibles de la Terre et qui ont passionné l’Homme depuis des millénaires sont soit proches, soit géantes comme la supergéante bleue Rigel (6) à 5630 années-lumière, ou la supergéante rouge Bételgeuse (9), l’une des plus grandes étoiles connues (env. 500 années-lumière aux dernières nouvelles). On pourrait presque dire que, à l’instar des vedettes de variétés, les étoiles géantes dominent notre ciel tandis que l’immense majorité du peuple stellaire nous demeure invisible.

Sources :

1. Wikipedia France et en.wikipedia.org

2. Science et Vie.com

3. Encyclopaediae Britannica

4. https://www.astronomes.com

5. http://physique.unice.fr

Images :

1. comparaison d'étoiles (sources : www.astrosurf.com)

2. la géante bleue Alcyon (sources : fr.wikipedia.org)

3. diagramme de Hirschprung-Russell (sources : Richard Powell/Leovilok/Wikimedia Commons)

4. le Soleil comparé à une supergéante rouge (sources : astronomie.skyrock.com)

5. étoile de Wolff-Rayet WR124 (sources : www.astrosurf.com)

6. le céphéide RS Puppis (sources : trustmyscience.com)

7. naine blanche HD 62166  (sources : youinf.ru)

8. répartition des types d'étoiles (zestedesavoir.com)

Mots-clés : Henry Draper - diagramme de Hertzsprung-Russell - séquence principale - naine blanche - naine rouge - géante bleue - supergéante rouge - étoile à neutrons - trous noirs - hypergéante jaune - étoile de Wolf-Rayet - géante rouge - céphéides

(les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog

1. cepheides

2. trous noirs

3. mort d'une étoile

4. novas et supernovas

5. la saga des rayons cosmiques

6. la Voie lactée

7. la mort du système solaire

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dernière mise à jour : 22 mars 2023

     Depuis plusieurs années, il existe un site Facebook dédié au blog de Céphéides qui reprend souvent des « brèves », c’est-à-dire de petites informations qui ne nécessitent pas un développement aussi important que les articles plus généraux exposés habituellement ici. Plusieurs lecteurs du blog m’ayant suggéré d’inclure de temps à autre ces brèves ici, notamment pour tout ceux qui ne sont pas abonnés à la lettre du blog sur Facebook, vous en trouverez un premier groupe ci-après. Débutant par l’astronomie et regroupés par thèmes - aujourd’hui le ciel lointain - ils viendront, je l’espère, compléter utilement le blog.

Voir dans le passé

     Observer les étoiles et les galaxies dans un télescope, c'est regarder loin dans le passé. En effet, la vitesse de la lumière est limitée : elle met 8 minutes pour aller du Soleil jusqu'à nous et la lumière de la plus proche des étoiles (la naine rouge Proxima du Centaure) un peu plus de quatre ans... Cela veut dire que lorsque l'on observe une galaxie située à, disons, 5 milliards d'années-lumière, on la voit telle qu'elle était il y a 5 milliards d'années et on devine alors qu'aujourd'hui elle est probablement bien différente...

     Notre Univers est âgé de 13,7 milliards d'années et, récemment, le télescope spatial Hubble a tourné ses miroirs vers des temps très très anciens. Sur la photo ci-dessus, on peut voir, à dix milliards d'années-lumière de nous, l'amas de "la toile d'araignée" (spiderweb galactic field) qui nous montre des dizaines de conglomérats stellaires (protogalaxies) sur le point de s'assembler pour former une galaxie géante... ce qui doit être à présent depuis longtemps réalisé.
La prochaine série de télescopes permettra de voir encore plus loin dans le passé, peut-être même la naissance des premières galaxies...
Rappelons qu'une galaxie comme la nôtre (la Voie lactée) contient environ cent cinquante milliards d'étoiles comme notre Soleil et qu'il existe des milliards et des milliards de galaxies autour de nous !

Pour en savoir plus sur les galaxies : https://www.cepheides.fr/article-17726881.html
Crédit photo : hubblesite.org/gallery/…/entire/pr2006045b/large_web/

 Le nombre des étoiles augmente-t-il dans le ciel ?

des milliards de galaxies comprenant chacune des milliards d'étoiles...

     Le nombre d'étoiles visibles à l’œil nu n'augmente évidemment pas : pour peu que la pollution lumineuse (hélas de plus en plus fréquente) soit absente, on peut espérer voir environ 2000 étoiles par une belle nuit sans Lune, peut-être 2500 pour une vue particulièrement perçante. On est loin des "millions d'étoiles des nuits cloutées d'or" chantés par le poète mais ce n'est déjà pas si mal...

     En revanche, dans l'Univers, le nombre d'étoiles est si élevé que l'esprit humain ne peut le concevoir : 150 milliards d'étoiles dans notre seule galaxie, la Voie lactée, et près de 500 milliards dans la galaxie d'Andromède, sa proche voisine. Or il existe des milliards de galaxies comme ces deux là ! Pour mieux comprendre ce chiffre, les astronomes nous disent qu'il existe autant d'étoiles dans le ciel que de grains de sable à la surface de la Terre... Du coup, la Voie lactée devient un petit morceau de plage dont notre Soleil serait un des grains ! C'est dire combien l'Homme et son monde proche sont minuscules dans l'Univers...

     Et le nombre d'étoiles ne cesse d'augmenter dans le cosmos, certes moins que par le passé lorsque les nuages de gaz leur donnant vie étaient plus nombreux et plus groupés. Toutefois, il s'en forme encore un assez grand nombre qui vient s'ajouter aux étoiles préexistantes dont la majorité ont une durée de vie voisine de celle de l'Univers.

     Alors, justement, existe-t-il une densité de plus en plus forte d'étoiles dans l'Univers ? Eh bien non car il faut tenir compte de l'expansion de celui-ci qui s'est accélérée depuis 7 milliards d'années environ (l'Univers s'est formé il y a 13,7 milliards d'années). Du coup, s'il existe plus d'étoiles que jadis, celles-ci sont de plus en plus éparpillées dans le vide immense du cosmos... On peut dire les choses autrement : les étoiles ont beau être de plus en plus nombreuses à s'être allumées, l'Univers se vide inexorablement...

Pour en savoir plus sur le destin des étoiles : https://www.cepheides.fr/article-16856190.html

Illustration : ciel nocturne dans le désert d'Atacama, au Chili

Pulsars et quasars

vue d'artiste d'un pulsar

     Récemment, déclarant à un de mes amis : "C'est presque aussi difficile à expliquer qu'un pulsar", je l'entendis me répondre : "Je ne vois vraiment pas ce que les montres ont à voir là-dedans !" Singulière méprise ! Il est vrai qu'une marque de montres porte effectivement ce nom mais un pulsar c'est avant tout un objet astronomique des plus singuliers... mais quoi au juste ?

     C'est dans les années 1960 que fut pour la première fois rapporté un signal venu du fin fond de l'Univers et qui avait la particularité d'être régulier comme une horloge. Si régulier que - les premiers scientifiques en étaient persuadés - il s'agissait... d'un message extraterrestre ! Las, on se rendit bien vite compte que le phénomène était parfaitement naturel !

     Tout commence avec la mort des étoiles géantes (au moins 8 fois la masse de notre Soleil) : dans un déchaînement infini de lumière et d'énergie, elles explosent en supernovas, ces étoiles éphémères qui, parfois, éclairent une galaxie toute entière pendant quelques jours. La dispersion de leur matière se fait dans l'espace, pourtant le cœur de l'étoile subsiste sous la forme d'un objet résiduel de quelques km de diamètre mais hyperdense au point que seuls des neutrons peuvent le composer (d'où leur autre nom "d'étoiles à neutrons"). Ce cœur dégénéré est le lieu d'un fort champ magnétique et comme il se met à tourner plus ou moins vite sur lui-même, il émet un signal périodique parfaitement perceptible lorsque son faisceau est aligné avec la Terre. C'est la raison pour laquelle on appelle ces restes d'étoiles des "pulsars", des astres qui, d'une certaine façon, sont des sortes de phares de l'espace. S'il existe donc quelque chose d'horloger dans tout cela, c'est la régularité du phénomène...

     Quant aux quasars qu'on évoque souvent en même temps que les pulsars (la similitude de la terminaison des mots sans doute), ils n'ont strictement rien à voir : ici, on a affaire à... Mais pourquoi ne pas plutôt en savoir plus sur ces phénomènes si particuliers en relisant l'article consacré à ce sujet sur le blog de Céphéides ? En voici le lien : https://www.cepheides.fr/article-25030017.html

Le paradoxe de la nuit noire

    En 1823, l'astronome allemand Olbers posa une "colle" à ses contemporains : "Puisque, avança-t-il, le nombre des étoiles dans le ciel est infini, la nuit, leur lumière devrait nous parvenir de partout et il ne devrait pas y avoir d'espace noir mais uniquement de la luminosité dorée!"

     Formulée sous le nom de paradoxe d'Olbers ou de la nuit noire, cette étonnante remarque resta sans réponse jusqu'au XXème siècle... Bon, on sait aujourd'hui que le nombre des étoiles n'est pas vraiment infini mais quand même : rien que dans notre galaxie, la Voie lactée, il y a entre 150 et 200 milliards d'étoiles. Et que des galaxies dans l'Univers visible, il y en a des milliards, chacune renfermant autant de soleils que notre Voie lactée. Ça fait donc beaucoup de lumière ! Alors ?

     C'est grâce à la théorie de la relativité générale d'Einstein (1915) que l'on aura la réponse. Elle explique que l'Univers a un commencement (Big bang) et qu'il se dilate (expansion) : du coup, comme la vitesse de la lumière est finie (300 000 km/sec), celle des étoiles les plus lointaines n'a pas encore eu le temps de nous parvenir. Comme la puissance de leur lumière, de toute façon, décroit avec leur éloignement, nos nuits resteront donc plutôt noires.

     Il existe bien aussi un rayonnement de fond qui correspond au début de l'Univers (le rayonnement fossile ou fond diffus cosmologique) mais comme il s'éloigne de nous à grande vitesse (toujours l'expansion de l'Univers), il est victime de l'effet Doppler qui le rend invisible à nos yeux ! Heureusement, sinon, nos nuits seraient bien trop claires...

     Cela me rappelle les remarques acerbes des complotistes divers qui expliquaient que les Américains n'étaient jamais allés sur la Lune : "La preuve, disaient-ils, sur les photos, on ne voit jamais d'étoiles ce qui veut dire que tout a été tourné en studio !". Oubliant que, en l'absence d'atmosphère, la lumière des étoiles était trop faible pour impressionner les pellicules des caméras de l'époque ! Eh bien, notre œil est un peu comme ça la nuit... et c'est tant mieux !

Image : la Voie lactée vue dans un des ciels les plus purs de la Terre dans le désert d'Atacama, au Chili

Quand surgit une nouvelle étoile

                                                  nébuleuse du Crabe

     Il y a 960 ans, un jour de juillet, le petit matin venait d'apparaître lorsque les astrologues chinois furent plongés dans la plus totale perplexité : une étoile avait surgi du néant et elle dépassait en éclat tous les autres astres du ciel, à l'exception de la Lune. L'étoile resta 23 jours visible en pleine journée et les astrologues de l'Empereur (c'était alors la dynastie Song) purent observer l'étoile dite "invitée" durant deux ans avant qu'elle ne diminue en intensité et ne s'efface...

     Aujourd'hui, nous savons que cette aveuglante lumière provient d'une supernova, c'est à dire l'explosion d'une étoile supergéante rouge, un des phénomènes les plus violents que l'on puisse trouver dans l'Univers : l'éclat de tels objets peut surpasser durant quelque temps celui de la galaxie toute entière où il se trouve, galaxie pourtant composée de milliards d'autres étoiles !

     La supernova du Crabe était située à 6200 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Taureau, et ce que virent les astronomes chinois s'était donc passé 6200 ans plus tôt. En 2017, avec un petit télescope, on peut voir les restes de cette explosion gigantesque sous la forme d'une nébuleuse en forme de crabe (d'où le nom) qui représente les gaz et matières correspondant à l'explosion (on parle alors de "rémanent" de supernova). Cette nébuleuse s'étend sur 10 années-lumière et se dilate à la vitesse de 1500 km/s. Son centre est occupé par un pulsar, reste de ce que fut l'étoile géante.

     Les astrologues chinois cherchèrent sans doute longtemps la signification divine de cette apparition car ils ne pouvaient concevoir qu'il s'agit d'un phénomène naturel comme il en arrive de temps à autre dans toute galaxie. Heureusement, l'astronomie contemporaine permet de faire considérablement reculer les frontières de l'inconnu et donc des superstitions.

Pour en savoir plus sur les novas et supernovas : https://www.cepheides.fr/article-de-l-astronomie-novas-et-su…

Photo : nébuleuse du crabe (sources : bingwallpaper.anerg.com)

Combien y a-t-il d’étoiles mortes dans le ciel ?

     La lumière ayant une vitesse finie (environ 300 000 km/sec), il paraît logique de penser que certaines étoiles situées loin de nous sont peut-être déjà éteintes alors que leur lumière nous parvient toujours. Par exemple, si l'étoile la plus brillante du ciel, Sirius, venait à mourir brutalement aujourd'hui, eh bien sa lumière nous parviendrait encore pendant huit ans et demi. Alors, combien d'étoiles sont elles potentiellement éteintes alors que nous les apercevons encore ?

     En fait aucune ! En réalité, l’œil humain le plus perçant, par une belle nuit sans lune et sans lumière parasite, peut voir entre 2000 et 3000 étoiles. Toutes sont évidemment assez proches de notre système solaire or la vie des étoiles ne se compare pas à la vie d'un homme, ni même à celle d'une civilisation : leur agonie, par exemple, prend des centaines de milliers voire des millions d'années. Du coup, ces étoiles proches que nous voyons à l’œil nu ont devant elles encore des centaines de millions d'années à vivre, même pour les plus grosses qui ont pourtant une vie stellaire brève... Il est donc très improbable que l'une d'entre elles s'éteigne durant la vie de l'Humanité (et si c'était le cas, nous le saurions par des signes avant-coureurs qui s'étalent sur des milliers d'années).

     En revanche, le problème est complètement différent pour les étoiles situées en dehors de la Voie lactée, notre galaxie. Prenez, par exemple, la galaxie d'Andromède, la plus proche de nous certes mais à 2,55 millions d'années-lumière (sa lumière met 2,55 millions d'années à nous parvenir) : un certain nombre de ses étoiles que nous pouvons apercevoir dans un grand télescope se sont forcément déjà éteintes. Quant aux galaxies lointaines, celles que nous pouvons apercevoir grâce, par exemple, au télescope spatial Hubble à, disons, plus de 10 milliards d'années-lumière, eh bien, 99% de leurs étoiles sont mortes alors que leur lumière (faible car lointaine) nous éclaire encore. Elles ont toutes été remplacées par de nouvelles étoiles depuis des milliards d'années mais la lumière de celles-ci ne nous parvient pas encore !

crédit photo : notre-planete.info

En science, tout, toujours, doit être réétudié !

H L Tauri

     Depuis des années, il semblait que les astronomes étaient arrivés à un consensus sur la formation des planètes. Dans mon post précédent, j'expliquais qu'une "superterre" venait remettre en cause certaines notions. Comme si cela ne suffisait pas, une extraordinaire photo vient une fois encore jeter un pavé dans la mare...

     Il s'agit d'un cliché pris par le super-radiotélescope ALMA au Chili : on y voit la formation d'un disque de matière au sein d'une nébuleuse gazeuse, c'est à dire le début de formation d'une étoile (appelé ici HL Tauri) dont l'âge est estimé à 1 million d'années ce qui est très très jeune pour ce type d'objets. HL Tauri est située à environ 450 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Taureau, mais ce qui est remarquable sur ce cliché c'est qu'on peut y voir que le disque (dit d'accrétion) possède des cercles concentriques qui sont les éléments précurseurs de futures planètes or, et c'est là que le bât blesse, dans les théories de formation des planètes, celles-ci ne peuvent apparaître qu'une fois l'astre central formé..

     Pourtant, il faut bien comprendre qu'il s'agit là d'une véritable photographie... qui ne saurait mentir ! Alors, perplexité chez les scientifiques...

     Une superterre qui est bien plus grosse que ne le prévoit la théorie, des planètes gazeuses qui ne devraient pas se trouver si près de leurs étoiles, des étoiles doubles (voire triples) qui possèdent des systèmes planétaires gravitant autour d'elles ce que certains astronomes jugeaient jusque là "physiquement impossible", voilà qui commence à faire désordre ! Décidément, l'exoplanétologie (c'est à dire l'étude des planètes en dehors de notre système solaire) qui s'affine chaque jour davantage grâce aux formidables progrès des techniques d'observation n'a certainement pas fini de nous réserver des surprises. Et c'est tant mieux : c'est comme ça que l'on fait avancer la Science.

Pour en savoir plus sur la formation d'un système planétaire : https://cepheides.fr/article-de-l-astronomie-la-formation-des-planetes-125038575.html

photo : HL Tauri vue par le télescope ALMA
(sources : www.eso.org/public/)

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mise à jour : 22 mars 2023

                                                                                                         Depuis qu’il existe des hommes et que ceux-ci sont capables de réflexion, ils s’interrogent sur leur place dans l’Univers, sur l’origine du monde dans lequel ils vivent et sur son devenir ultime. Il existe justement une science qui s’est penchée sur ce type de problèmes : la cosmologie. Branche actuelle de l’astrophysique, cette discipline s’est progressivement détachée des aspects purement philosophiques pour devenir une science à part entière c’est-à-dire rationnelle et s’appuyant sur des observations réelles et vérifiables. Grâce à elle, il est aujourd’hui possible d’aborder, sans être dans le domaine de l’imaginaire pur, les différents scénarios possibles d’évolution de cet Univers que nous connaissons encore si mal.

Le début : le Big Bang

     « Au début fut la Lumière » déclarent certains textes anciens. Pas tout à fait, toutefois, si l’on retient le commencement probable de l’Univers avec le scénario du Big bang, actuellement privilégié par la très grande majorité des scientifiques. La lumière, en effet, n’apparut qu’au bout de 380 000 ans et ce n’est qu’à partir de ce moment très ancien que put se constituer l’Univers tel que nous le connaissons. Selon les dernière estimations, il est aujourd’hui âgé de 13,8 milliards d’années ce qui, au demeurant, représente un chiffre assez difficile à concevoir pour l’esprit humain. Nous avons déjà longuement discuté de ce modèle (voir sujet : le Big bang) qui ne fut pas toujours le favori des scientifiques.

     En effet, la théorie du Big bang était jusque dans les années 1950 en concurrence avec une autre approche appelée « création continue » qui expliquait qu’il se créait de façon permanente à peu près autant de nouvelles étoiles qu’il en disparaissait d’anciennes, un univers statique en somme ou plutôt « stationnaire » comme il fut nommé à l’époque. L’expansion de l’Univers mise en évidence dès 1925 par Edwin Hubble (photo) ne permettait pas vraiment de choisir entre ces deux principales théories jusqu’à ce qu’une découverte ne tranche en faveur du Big bang : l’observation du fonds diffus cosmologique, témoin résiduel de cette « explosion » initiale.

     L’Univers s’étend ou, plutôt, se crée au fur et à mesure de son expansion. On part donc d’un point initial très petit, très chaud et, après le Big bang, on assiste à une dilatation considérable de cet univers qui contient toute la matière. Mais jusqu’où ? Comment peut-on envisager la fin de cette expansion et, d’ailleurs, y aura-t-il seulement une fin ? C’est là que la cosmologie nous fournit quelques piste.

Quel type d’univers ?

     Lorsque Einstein rédigea sa théorie de la relativité générale (qui est en fait une théorie de la gravitation), il retint des équations qui correspondent à un univers contenant de la matière. Toutefois, il pensait, pour des raisons probablement philosophiques, que cet univers devait être statique et, pour obtenir ce résultat, il introduisit un terme spécifique appelé « constante cosmologique ». Mais, peu de temps après, face à la mise en évidence par Hubble de l’expansion de l’Univers, il décida de le supprimer.

     Quelques années plus tard, le Hollandais de Sitter, le Russe Friedmann et le belge George Lemaître avancèrent des hypothèses d’univers non statiques pour résoudre les équations de la relativité générale. Ils ne travaillèrent néanmoins pas sur les mêmes scénarios car de Sitter imaginait un univers sans matière tandis que celui de Friedmann reposait au contraire sur la densité de la matière : c’est ce dernier modèle qui est aujourd’hui retenu par la majorité des cosmologistes et sert de support à leurs modélisations.

     Avant d’aller plus avant dans la question de savoir si l’Univers est « ouvert », c’est-à-dire en expansion infinie ou « fermé » et donc susceptible d’arrêter sa dilatation, voire de revenir sur lui-même, il convient d’être en accord sur plusieurs points essentiels qui composent ce que l’on appelle le principe cosmologique et qui sont les suivants :

* il n’y a strictement aucune raison pour que la Terre soit le centre de l’univers (on en a d’ailleurs déjà discuté dans le sujet dédié ICI) ou, dit autrement, qu’elle se situe dans un endroit particulier de ce dernier. Si on veut bien admettre ce principe de base, il faut également accepter que

* l’univers est homogène ce qu’on peut résumer de la façon suivante : à l’échelle cosmologique, c’est-à-dire de l’espace et des galaxies, il présente toujours et partout les mêmes propriétés (ce qui, évidemment, n’est pas forcément le cas à faible échelle où les situations peuvent être différentes : par exemple dans et en dehors d’une galaxie). De plus,

* l’univers est isotrope ce qui veut dire qu’il est toujours identique quelle que soit la direction dans laquelle on l’observe : il n’y a pas de centre ou de « bords » identifiables ou de modification de la courbure de l’espace-temps.

     Il existe enfin une dernière condition pour qu’on puisse engager une réflexion constructive sur le sujet : il est nécessaire que les lois de la physique soient universelles et ce quel que soit l’endroit et le moment.

     Alors ouvert ou fermé ? Cela dépend de la variabilité de plusieurs paramètres. Sans entrer dans le détail des équations (ce que je serais bien incapable de faire), il faut en gros retenir qu’il existe trois intervenants majeurs :

* la constante de Hubble (H) qui représente le taux d’expansion de l’univers

* la densité de l’univers (Ω) et

* une constante dite cosmologique (l) qui représente la force qui s’oppose à la gravitation.  

     Actuellement, l’univers est en expansion ce qui veut dire que la force antigravitationnelle est plus importante que la gravitation ; toutefois, plus la densité de l’univers sera importante et plus ce sera la gravitation qui devrait l’emporter sur l’expansion ce qu’on peut résumer de la façon suivante : expansion > gravitation = univers ouvert et expansion < gravitation = univers fermé. Voyons cela d’un peu plus près.

Les scénarios possibles

     Nous venons de dire que l’univers est en expansion, probablement depuis au moins 6 milliards d’années quoique, semble-t-il à des vitesses parfois différentes. Il y a quelques décennies, les scientifiques pensaient que cette expansion devait forcément se ralentir (ou, en tout cas, se stabiliser) en raison des forces de gravitation qui s’opposent à ce mouvement d’élargissement. Pourtant, contre toute attente, on sait depuis une dizaine d’années que, non seulement il n’y a aucun ralentissement, mais que, au contraire, cette expansion s’accélère. Sans que l’on sache vraiment quelle est la nature de la force qui prend ainsi le dessus sur la gravitation. On soupçonne une matière non visible dite « matière noire » ainsi qu’une énergie dite sombre. Les calculs ont été faits et refaits mais il n’y a aucun doute : notre univers ne renferme que 4 à 5 % de matière visible (c’est-à-dire toutes les étoiles, galaxies, nuages de gaz et de matière, etc.). Le reste, c’est-à-dire 95%, ressort du domaine de ces mystérieuses matière noire et énergie sombre…

     Quoi qu’il en soit l’univers est en expansion, une expansion qui s’accélère. Et si cette expansion ne s’arrêtait jamais ?

l’univers infini ou Big chill

     C’est l’hypothèse la plus en vogue chez les scientifiques depuis la découverte de l’accélération de l’expansion de l’univers. En effet, si l’expansion devait se prolonger ainsi, il ne pourrait y avoir de « retour en arrière » et, comme l’univers créé au fur et à mesure, cette expansion serait alors quasi infinie, une notion certes toujours difficile à saisir pour un esprit rationnel. Précisons néanmoins que l’accélération a été calculée à partir de données (constante de Hubble, densité de la matière) basées sur des mesures de distance et que, en astronomie, ce type de mesures reste quand même relativement approximatif.

     Dans ce modèle, l’univers s’élargirait ainsi durant des centaines de milliards d’années, un âge où l’espèce humaine aura disparu depuis si longtemps que plus aucune trace d’elle ne subsistera nulle part. Au préalable, toutes les galaxies des groupes locaux (c’est-à-dire suffisamment proches pour être liées par la gravitation) auront fusionné en créant des gerbes de nouvelles étoiles, comme, par exemple, la Voie lactée et Andromède dans deux à trois milliards d’années. Il n’existera donc plus que des galaxies géantes qui s’éloigneront de plus en plus vite les unes des autres. Viendra d’ailleurs un temps où le seul spectacle à contempler dans le ciel sera celui offert par la galaxie géante locale, toutes les autres ayant disparu du champ visible : un habitant de ce temps-là ne pourra donc pas soupçonner que d’autres mondes existent en dehors de sa propre galaxie…

     Puis, bien plus tard, ce sera le tour d’une époque où tout l’hydrogène de l’univers sera épuisé et où les dernières générations d’étoiles commenceront à s’éteindre. Il ne restera plus que des cadavres d’étoiles qui seront, soit éjectées dans le vide intersidéral pour s’y diluer, soit être aspirées par les grands trous noirs centraux galactiques avec au final, un simple bain glacé de photons résiduels d’où l’appellation de ce modèle, le Big chill (grand Froid) Il est inutile de préciser que ce scénario, s’il arrive à sa fin, mettra des centaines, peut-être même des milliers de milliards d’années à se constituer…

le big crunch

     Le scénario inverse de celui que nous venons d’évoquer est appelé le Big crunch  (crunch en anglais veut dire craquement et ici plus certainement « effondrement »). Dans cette éventualité on imagine que, au bout d’une certaine période d’expansion (que nous sommes en train de vivre), le mouvement s’inversera car la gravitation aura fini par prendre le dessus sur les forces qui s’opposent à elle. De ce fait, toute la matière de l’Univers aura tendance à se condenser dans un univers qui se mettra à rétrécir, à se replier sur lui-même. Toutefois, contrairement à ce qu’on pourrait à première vue penser, il ne s’agira pas d’un retour en arrière vers le Big bang car, si l’univers s’inversera bien, ses composants, notamment les galaxies et ce qu’elles contiennent, continueront à évoluer pour leur propre compte. À terme, cet univers recroquevillé sur lui-même pourrait retrouver la structure qu’il avait au moment du Big bang. Depuis que l’on a démontré avec une quasi-certitude l’accélération de l’expansion universelle, cette hypothèse du Big crunch a moins la cote chez les scientifiques… encore que certains d’entre eux font remarquer que nous ne savons rien de l’énergie sombre responsable de l’expansion actuelle et qu’il est en conséquence difficile de conclure vraiment.

le big bounce

     Imaginons que le scénario précédent, le « big crunch » soit le bon mais à une différence fondamentale près : au moment où tout l’univers va se reconcentrer dans un espace infiniment petit, infiniment chaud et infiniment dense, au tout dernier moment en quelque sorte, une espèce de « sursaut » se fait et un nouveau Big bang apparaît : c’est cela l’hypothèse du Big bounce (ou « grand rebond » en anglais, appellation dont je signale au passage qu’elle est tirée du titre d’un livre du célèbre auteur américain de romans policiers, Elmore Leonard, paru en 1969).

     En effet, pour ne pas violer la deuxième loi de la thermodynamique (qui établit l’irréversibilité des phénomènes physiques, notamment lors des échanges thermiques), il est impératif que l’univers rebondisse avant de devenir une singularité. Du coup, on a affaire à un univers cyclique se reproduisant éternellement et dont on ne sait pas si la séquence actuelle est la première itération ou la centième ou la milliardième… Certains écrits laissent supposer qu’une discipline quantique appelée « gravitation quantique à boucles » aurait permis d’avancer les équations nécessaires à ce modèle. L’avenir nous en dira certainement plus mais si une chose est certaine, c’est que les toutes premières fractions de seconde de l’univers (le « début » du Big bang qu’on appelle singularité) correspondent forcément à une physique qui n’est pas la nôtre et dont nous ne savons rien : dès lors, tout est envisageable.

le big rip

     En 1999, le cosmologiste américain Robert R. Caldwell avança un scénario tout à fait original qu’il baptisa « Big rip » (« grand déchirement »). Dans ce modèle, il introduit une forme d’énergie très spéciale appelée « énergie fantôme » dont la caractéristique principale est de voir sa densité augmenter lors de la poursuite de l’expansion. Et si l’énergie sombre était cette énergie fantôme ? Bien entendu, il s’agit de pure spéculation qui n’a jamais connu le commencement d’une preuve mais le scénario a retenu l’attention de certains scientifiques.

     Que deviendrait l’Univers en pareil cas ? Eh bien, plus le temps s’écoule, plus l’expansion s’accélère et plus l’énergie fantôme augmente sa densité, finissant par dépasser toutes les autres forces de liaison entre les différents éléments contenus dans l’univers. La conséquence en est que l’expansion devient de plus en plus violente et on assiste à la dilacération progressive de tous les objets existants. Il est même possible de calculer le temps que prendront les différentes étapes de la destruction : la disparition des superamas mettra quelques centaines de millions d’années, celle des galaxies quelques dizaines de millions tandis que l’éjection des planètes de leur système stellaire surviendra quelques années avant la fin, etc. La phase terminale sera la dislocation de tous les atomes…

Les univers-gigognes

     On a déjà évoqué les trous noirs dont, tout ce qui est au-delà de leur « horizon » (c’est-à-dire ce qui est au-delà du visible) est du domaine de la spéculation. Pour la majorité des scientifiques, dans le trou noir, la courbure de l’espace-temps et la densité deviennent infinis (c’est ce que tendent à démontrer les équations) et c’est même précisément pourquoi, ici aussi, on nomme l’intérieur du trou noir une singularité. Imaginons toutefois que, au moment où les valeurs deviennent extrêmes, la gravité s’inverse (je rappelle qu’il s’agit en pareil lieu d’une physique que nous ne connaissons pas) : la conséquence pourrait en être un nouveau Big bang mais dirigé cette fois-ci vers « l’autre côté » avec pour conséquence la création d’un autre univers. Et, bien entendu, le nôtre serait né d’un trou noir situé dans un autre univers : on parle alors d’univers parallèles, de multivers ou d’univers-gigognes puisque naissant les uns des autres. Concernant notre propre cas, l’expansion s’ajoutant à l’évaporation des trous noirs finirait par ne laisser de notre univers qu’un rayonnement fossile mais, entretemps, chaque trou noir aura donné naissance à un autre univers…

Nous savons que nous ne savons pas

     Suite à ces quelques réflexions sur la situation de notre univers, il semble évident qu’il est difficile de se faire une idée précise de son avenir à long terme. La raison principale de cette difficulté réside dans le fait que nous ne savons toujours pas de quoi est composé l’univers dans lequel nous vivons : si l’on s’en tient aux équations de la seule théorie actuelle réellement acceptable de la gravitation, la relativité générale, 95% de la matière n’ont pas été identifiés et on est loin de connaître leur nature véritable. Les preuves de l’existence de cette matière inconnue sont indirectes comme, par exemple, l’étude de la vitesse de rotation des galaxies. Mais quelles particules la composent et sous quelle forme agit l’énergie sombre, nul ne peut le dire.

     Certains scientifiques vont jusqu’à remettre en cause les équations de la relativité générale ou, du moins, proposent que la théorie soit sérieusement amendée. En attendant, il parait hasardeux de choisir définitivement le scénario de l’évolution ultime de notre univers mais il est vrai que cet événement surviendra longtemps, longtemps après que le souvenir même des Hommes ait disparu. Il n’empêche, le cerveau humain est ainsi : curieux, il aime s’interroger même si cela ne le concerne pas directement ; les années à venir apporteront sûrement au moins quelques réponses aux questions que la cosmologie lui pose.

Sources :

* Science et Univers, Hors Série n°8

* www.science-et-vie.com/

* www.lacosmo.com/choix.html

* fr.wikipedia.org/wiki/

* www.astronomes.com/

* www.astrosurf.com/luxorion/

* www.hatem.com/

* http://www.gurumed.org/

Images

1. galaxies lointaines / Hubble Deep Field (sources : lefigaro.fr)

2. Edwin Powell Hubble (sources : phys-astro.sonoma.edu)

3. géométrie de l'univers (sources ; slideplayer.fr)

4. univers lointain (sources : lepoint.fr)

5. répartition de la matière dans l'univers (sources : podcastscience.fm)

6. galaxie géante du sombrero (sources : allwallpaper.in)

7. univers : le grand rebond (sources : blogs.futura-sciences.com)

8 multivers (sources : hitek.fr)

Mots-clés : Big Bang - univers stationnaire - univers en expansion - fonds diffus cosmologique - Edwin Hubble - relativité générale - constante cosmologique - constante de Hubble - matière noire / énergie sombre - Big Chill - Big Crunch - Big Bounce - Big Rip

(les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog

1. matière noire et énergie sombre

2. avant le Big bang

3. Big bang et origine de l'Univers

4. juste après le Big bang

5. fonds diffus cosmologique

6. expansion de l'univers

7. les étrangetés de l'univers

8. les frontières de l'univers

9. théorie de la relativité générale

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mise à jour : 18 mars 2023

   Être nébuleux, c’est être flou, imprécis et, pour un objet, avoir des contours diffus comme ceux des nuages. De ce fait, jusqu’au siècle dernier, en astronomie, on appelait nébuleuse tout objet mal défini, aux limites peu visibles : des taches de lumière vagues dans le ciel nocturne. Dans les années 1920, grâce à Edwyn Hubble, on se rendit compte que notre galaxie, la Voie lactée, n’était pas tout l’Univers et qu’il existait bien d’autres galaxies en dehors d’elle : celles qui étaient plus ou moins perceptibles à l’observation terrestre faisaient alors partie des « nébuleuses » et, longtemps, on entendit évoquer dans les médias la « grande nébuleuse d’Andromède », de nos jours galaxie pleine et entière…

   Les nébuleuses, aujourd’hui, sont essentiellement des conglomérats de gaz et de matière d’origines diverses : nuages de gaz et matière primordiale, rémanents de supernova, coquilles évanescentes d’étoiles en fin de vie, etc. Ces objets, à présent parfaitement identifiables grâce au télescope spatial Hubble et, sur Terre, aux télescopes géants à optique adaptative (corrigeant en temps réel les turbulences de l’air), sont tous situés dans notre galaxie et les éléments qui les composent facilement différentiables en photographie astronomique. Grâce à des retraitements en « fausses couleurs » permettant l’exploitation des clichés, ils figurent certainement parmi les plus belles images qu’on puisse rencontrer en astronomie. Je vous propose une brève promenade parmi ces superbes et spectaculaires constructions célestes.

les piliers de la création

   Inaugurons notre promenade avec un des objets les plus célèbres : les « piliers de la Création ». Il s’agit d’une des plus fameuses photographies prises par le télescope Hubble le 2 avril 1995. Ces piliers sont une petite partie d’une bien plus grosse nébuleuse dite de l’Aigle, située dans l’amas ouvert M16 (un amas ouvert est un petit groupe de 100 à quelques milliers d’étoiles toutes semblables et liées entre elles par la gravitation : compte tenu de la petite taille d’un tel objet, on n’en trouve - ou plutôt on n’en voit - que dans la Voie lactée et ses galaxies satellites). En fait, partie centrale de la nébuleuse de l’Aigle, les piliers de la création sont une pouponnière d’étoiles bleues (d'où leur nom) qui naissent à partir de leurs longues volutes (trois années-lumière) d’hydrogène ionisé et de matière. La nébuleuse est située à environ 6000 années-lumière de nous.

Nébuleuse de l’œil du chat

   Située à 3600 années-lumière de la Terre, la nébuleuse de l’œil du chat est une nébuleuse dite planétaire mais, en dépit du nom, survivance des temps anciens, cet objet astronomique n’a rien à voir avec une planète. Il s’agit des derniers instants d’une étoile de la taille du Soleil : après s’être dilatée en géante rouge tandis que son cœur se réduisait à une naine blanche, l’étoile n’apparaît plus que sous la forme de coquilles de gaz émises par à-coups. L’importance et la forme des différentes enveloppes de gaz suggèrent ici que l’étoile mourante a probablement un compagnon qui intervient dans le mécanisme général. Sur la photo la nébuleuse de l’œil du chat est âgée d’environ 1000 ans mais son aspect actuel doit être assez différent puisqu’elle est aujourd’hui vieille de près de 5000 ans…

Nébuleuse du Cygne S 106

   Pour observer cette nébuleuse, il faut tourner son objectif dans la direction de la constellation du Cygne. Toutefois, à l’opposé de l’objet précédent, il s’agit ici d’une nébuleuse entourant une étoile en formation, un bébé étoile âgé d’à peine 100 000 ans, appelé IRS 4. Un grand disque de poussière et de gaz entoure la protoétoile et donne à la nébuleuse une forme de papillon (ou de sablier, c’est selon). La poussière à distance d’IRS 4 se comporte comme une nébuleuse par réflexion et renvoie l’image de l’étoile naissante. Curieusement, en observant attentivement cette zone, les scientifiques ont mis en évidence les fantômes de centaines d’étoiles avortées : des naines brunes que leur petite taille a empêché d’enclencher une réaction nucléaire

Nébuleuse d’Orion

   La nébuleuse d’Orion est probablement la nébuleuse la plus célèbre de l’astronomie et également la plus étudiée. En effet, contrairement à, par exemple, la nébuleuse de la Carène que nous avons déjà évoquée mais qui présente l’incontestable désavantage de se trouver dans l’hémisphère sud, Orion a été observée depuis la plus haute antiquité.

   La nébuleuse d’Orion est très facile à observer, même à l’œil nu pour peu que le nuit soit sans pollution lumineuse (elle se trouve un peu en dessous du «  baudrier » de la constellation d’Orion, une construction théorique qui regroupe entre autres les étoiles Bételgeuse et Rigel). Située à 1350 années-lumière de nous, la nébuleuse d’Orion contient un très jeune amas ouvert avec ses bébés étoiles. Elle fait partie d’un gigantesque nuage de gaz et de poussières (nuage d’Orion) mais s’étend elle-même sur une distance de 33 années-lumière (soit quatre fois la pleine lune vue de la Terre).

Nébuleuse de la Rosette

   Ce n’est pas la seule nébuleuse à évoquer l’image d’une fleur mais c’est certainement la plus célèbre. Elle se situe dans la constellation de la Licorne, à plus de 5000 années-lumière de notre système solaire. Elle est immense puisque s’étendant sur 100 années-lumière dont 50 pour son seul centre débordant d’étoiles jeunes : ce sont les vents et les rayonnements provenant de cette région centrale qui dessinent la parfaite symétrie des pétales de la fleur. Et chacun de ces pétales est également une maternité stellaire…

Nébuleuse de la Tarentule

   Il s’agit là de l’endroit de formation d’étoiles le plus violent de tout notre groupe local de galaxies. Cet énorme nuage de gaz (il s’étend sur plus de 1000 années-lumière) appartient en réalité à la galaxie naine satellite de la Voie lactée appelée le Grand Nuage de Magellan. Son centre renferme un groupe extrêmement compact d’étoiles jeunes dont le rayonnement ultraviolet vient ioniser les gaz périphériques et rend ainsi la nébuleuse visible : c’est l’endroit le plus fécond en étoiles nouvelles de tout notre groupe local. Visible à l’œil nu dans de bonnes conditions d’observation, cette arachnide céleste est presque aussi large vue de la Terre que la nébuleuse d’Orion mais, appartenant à une galaxie voisine, elle est forcément immensément plus loin et donc d’une taille titanesque (si elle se trouvait à la place d’Orion, elle couvrirait la moitié du ciel). Lieu de phénomènes extrêmes, c’est ici que l’on trouve le rémanent de la dernière supernova observée durant l’ère moderne..

Nébuleuse du Crabe

   Cet objet est en réalité un rémanent de supernova : l’étoile géante dont l’explosion fut observée par les astronomes chinois de la dynastie Song, de juillet 1054 à avril 1056. Située à environ 6200 années-lumière de la Terre, elle se trouve dans la constellation du Taureau. D’une taille d’environ 10 années-lumière, cette « bulle » correspond aux enveloppes externes de la défunte étoile dont l’expansion est d’à peu près 1500 km/s. Ce fut le premier objet astronomique à avoir été officiellement associé à l’explosion d’une supernova. Au centre de cette bulle tourne sur lui-même (30 t/s) un pulsar dont le rayonnement énergétique est 200 000 fois plus élevé que celui du Soleil et qui, de ce fait, « éclaire » la nébuleuse toute entière. Rappelons que pour les étoiles dont la taille est supérieure à 8 fois la taille du Soleil, la mort en supernova donne lieu à des résidus centraux appelés étoiles à neutrons dont certaines tournent sur elles-mêmes à toute vitesse et rayonnent comme « des phares dans l’espace » : on les appelle alors des pulsars.

Les dentelles du cygne

   Il s’agit d’un autre rémanent de supernova mais à un stade plus avancé que celui de la nébuleuse du Crabe que nous venons de voir car, inéluctablement, comme pour ces Dentelles du Cygne, la nébuleuse du Crabe, elle-aussi, finira par se dissoudre dans les profondeurs glacées de l’espace. La nébuleuse des Dentelles se trouve dans la constellation du Cygne à environ 1500 années-lumière du Soleil et correspond à une étoile géante qui explosa en supernova il y a à peu près 10 000 ans.

Nébuleuse de la tête de sorcière

   Cette nébuleuse est dite par réfraction ce qui veut dire que ce n'est pas elle qui s'éclaire (comme les nébuleuses par émission que nous venons de voir) : c'est

l'étoile Rigel (de la constellation d'Orion) qui illumine sa fine poussière. Ce type de nébuleuse est souvent bleu car le processus est analogue à celui qui fait que la lumière du Soleil rend le ciel bleu (dans ce dernier cas par diffusion grâce aux molécules d'azote et d'oxygène contenues dans l'atmosphère terrestre). La sorcière est située à environ 800 al de nous et elle a les yeux fixés sur Rigel (l'étoile est située hors du champ)

Nébuleuse du voile et triangle de Pickering

   Les filaments épars visibles dans la direction de la constellation du Cygne que l’on peut voir sur la photo ci-contre représentent la partie ouest de la nébuleuse du Voile, nébuleuse qui est tout ce qu’il reste après l’explosion d’une étoile massive il y a 5000 ans. Ces filaments apparaissent un peu comme des vaguelettes à la surface d’un étang après la chute d’un galet : l’onde de choc de l’explosion a en effet ionisé le milieu interstellaire. Cette partie de la nébuleuse du Voile est appelée « triangle de Pickering » en l’honneur - tradition de l’époque - du directeur de l’observatoire de Harvard, Edward Charles Pickering : il s’agit en fait d’une « erreur » fréquente à l’époque car cette découverte (parmi bien d’autres) est à mettre au crédit de sa sœur Williamina Fleming, astronome spécialiste de l’étude des plaques photographiques, qui avait le tort d’être une femme (comme Henrietta Leawit qui travailla avec elle et permit de comprendre l’immensité et l’expansion de l’Univers mais n’en fut jamais créditée avant sa mort).

Nébuleuse de la fourrure du Renard

   Quand on examine attentivement cette nébuleuse qui se situe à 2500 années-lumière de nous dans la constellation de la Licorne, avec un peu d’imagination on peut effectivement reconnaître une peau de renard, la tête tournée vers le haut surplombant des plis cutanés. Les couleurs marron et fauve rosé sont dues à un mélange entre les poussières et la luminosité rouge de l’hydrogène ionisé. Bien entendu, les formes tourmentées de l’ensemble sont dues aux vents provenant de nouvelles étoiles très chaudes. En haut de l’image, une luminosité bleue est caractéristique de la réflexion de la lumière d’une étoile, en l’occurrence la mystérieuse S Monocerotis. Mystérieuse, en effet, car cette étoile variable était considérée comme mourante lorsque, en 2002, on intercepta une soudaine et imprévue augmentation de sa luminosité. Le télescope Hubble s’intéressa au phénomène et mit en évidence une augmentation significative de la taille de l’étoile. Il est possible que l’on ait ici affaire à la présence d'une « variable éruptive », phénomène plutôt rare. Pour le moment, aucune explication définitive : on observe…

Nébuleuse de la Lagune

   Pour apercevoir la nébuleuse de la Lagune, il faut regarder en direction de la constellation du Sagittaire, vers le centre de la Voie lactée. Assez basse sur l’horizon dans nos contrées, la nébuleuse est néanmoins parfaitement visible à l’oeil nu par nuit noire. Elle est située à 5000 années-lumière du Soleil et se compose d’un immense nuage de matière et d’hydrogène au sein duquel se trouve de façon prévisible un amas ouvert de jeunes étoiles âgées d’environ 2 millions d’années. La nébuleuse doit son nom de lagune à la bande de poussière qui s’étend à proximité du centre de l’amas stellaire.

Nébuleuse de la montagne mystique

   Je vous propose de terminer cette courte promenade par une nébuleuse qui est en quelque sorte le pendant des Piliers de la Création du début de l’article et que l’on appelle « la Montagne mystique ». Cette dernière fait partie d’une nébuleuse bien plus grande, dite de la Carène, située à environ 7500 années-lumière de nous. Le pilier de gaz de cette Montagne Mystique mesure à peu près 3 années-lumière et est un grand nuage froid de gaz et de poussières qui, par effondrements et effets de marée gravitationnels, donne naissance à de nombreuses étoiles dont certaines géantes très éruptives. C’est dans la nébuleuse de la Carène que réside une des plus massives et brillantes étoiles de la Voie lactée, Eta Carinae : 150 fois la taille du Soleil et quatre millions de fois plus brillante que lui, on attend sa transformation prochaine en supernova ; elle est toutefois suffisamment loin de la Terre pour ne pas créer trop de dégâts dans notre environnement…

   Bien d’autres nébuleuses sont dignes d’intérêt : citons pêle-mêle les nébuleuses du Cône, de la Flamme, de la Crevette, de la tête de cheval, trifide, du crayon, du lagon, du machin noir, etc.,… Il paraît difficile, sans lasser l’esprit, de les faire toutes figurer dans cette promenade : peut-être une autre fois ? En tout cas, pour les lecteurs qui souhaiteraient contempler de belles images du cosmos, je conseille le site du télescope spatial Hubble (http://hubblesite.org/gallery/) : c’est écrit en anglais mais nul besoin de le comprendre pour admirer ces superbes photos.

Sources :

1. Wikipedia France

2. Science et Vie.com

3. Encyclopaediae Britannica

4. Ciel des hommes (cidehom.com/)

5. www.cosmovision.com

6. site du télescope Hubble (hubblesite.org)

Images :

1. tournesols du Sagittaire (sources : cidehom.com/)

2. Piliers de la Création (sources : youtube.com)

3. Oeil du chat (sources : fr.wikipedia.org)

4. nébuleuse du Cygne S 106 (sources : apod.nasa.gov)

5. nébuleuse d'Orion (sources : cidehom.com/)

6. nébuleuse de la Rosette (sources : astronoo.com)

7. nébuleuse de la tarentule (sources : cidehom.com/)

8. nébuleuse du Crabe (sources : futura-sciences.com)

9. dentelles du Cygne (sources : outters.fr)

10. nébuleuse de la tête de sorcière (sources : astronoo.com)

11.  nébuleuse du voile et triangle de Pickering (sources : cidehom.com/)

12. fourrure du renard (sources : club.doctissimo.fr)

13. nébuleuse de la lagune (sources : cidehom.com/)

14. nébuleuse de la montagne mystique (sources : photo.geo.fr)

Sujets apparentés sur le blog

1. mort d'une étoile

2. novas et supernovas

3. le télescope spatial Hubble

4. la Voie lactée

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mise à jour : 18 mars 2023

     Il ne se passe pas un jour sans que les médias ne se fassent l’écho de la découverte d’une nouvelle planète extrasolaire si bien qu’on les compte à présent par milliers. Planètes géantes et gazeuses brûlantes d’être trop proches de leurs étoiles, planètes telluriques - c’est-à-dire rocheuses comme la Terre - parfois situées dans ce qu’on appelle la « zone d’habitabilité » de leur système stellaire, planètes tournant autour d’un système binaire à deux étoiles, voire même trois, planètes satellites d’obscures naines rouges ou, au contraire, de brillantes géantes bleues, bien d’autres encore, les scénarios sont multiples et, chaque fois, on se demande ce que pourraient être les cieux, notamment nocturnes, de ces endroits lointains… À défaut de les visiter un jour - ce qui semble bien improbable - on peut chercher à comprendre, voire imaginer ces étranges écosystèmes…

la Terre

     Mais évoquons d’abord la planète qui nous sert de référence. Pour la Terre, la nuit et le jour, on l’a compris depuis longtemps, sont la résultante de sa rotation qui présente alternativement la moitié de son globe au Soleil. De ce fait, le jour, lorsqu’il n’y a pas de nuages, l’observateur terrestre peut contempler un ciel d’une profonde couleur bleue produite par l’action de l’atmosphère sur la lumière solaire (sur les planètes sans atmosphère, la couleur du ciel est uniformément noire et les étoiles ne scintillent jamais). Le mouvement de rotation de notre planète entraîne également la production des vents, la répartition de la chaleur et de l’énergie sur la surface du globe, les courants marins, etc. Une Terre qui ne tournerait pas sur elle-même, serait une Terre morte…

     Depuis qu’elle est apparue il y a plusieurs centaines de millions d’années, la Vie, sous quelque forme qu’elle soit, a su s’adapter à ces variations cycliques au point que celles-ci ont été génétiquement intégrées par la plupart des espèces animales et végétales. Il existe, par exemple, une variété américaine de crabes qui change de couleur selon l’heure de la journée et le mouvement des marées qui les recouvre d’eau ou, au contraire, les abandonne sur le sable aux éventuels prédateurs : eh bien, on a pu constater que, expatriés à des centaines de km du bord de mer, dans des aquariums en plein désert, ces crabes continuent à changer de couleur en fonction des marées. Plus encore, ces variations de pigmentation suivent les variations saisonnières de l’océan.

     L’adaptation des animaux à l’alternance nuit-jour nous donne aussi une information insolite : le jour terrestre n’a

pas toujours été de 24 heures et la Terre ralentit. Imperceptiblement, mais elle ralentit. Il y a 500 millions d’années, le jour ne durait sur Terre que 21 heures (c’est l’étude des cercles de croissance des coraux fossiles qui nous l’apprend) et comme la révolution de notre planète autour du Soleil n’a, elle, pas changé, en ce temps-là l’année durait 417 jours… La Terre ralentit mais elle n’aura toutefois pas le temps de s’arrêter complètement car, dans environ 4,5 milliards d’années, le Soleil, en fin de vie et devenu une géante rouge, la détruira définitivement.

     Le Soleil se couche à l’ouest en projetant ses derniers feux et, quelques minutes plus tard, c’est la nuit noire. Noire, vraiment ? L’obscurité n’est en réalité jamais totale comme, d’ailleurs, à peu près partout dans l’Univers. Bien entendu, il y a notre satellite  qui reflète et renvoie la lumière du Soleil mais, même en son absence, il existe de nombreuses sources naturelles de lumière. On pense tout d’abord aux étoiles dont seulement quelques milliers sont accessibles à l’œil humain (à ce propos, comment se fait-il que nos nuits ne soient pas totalement envahies par les rayons des milliards de milliards d’étoiles qui peuplent l’Univers : l’explication de cette énigme dite « paradoxe d’Olbers » est donnée en fin d’article). Ensuite, il existe ce que l’on appelle la lumière zodiacale, une bande de lumière à la limite du perceptible pour nos yeux, même loin des lumières parasites, et qui correspond aux restes de l’ancien disque protosolaire vu par la tranche : ces minuscules fragments survivants renvoient la lumière solaire sur la face obscure de notre planète.  Évidemment, il s’agit d’une luminosité sourde, peu intense dans laquelle les instruments (et les conditions favorables) permettent même d’apercevoir l’image reflétée de notre étoile  ! Enfin, troisième source de lumière, la luminescence de l’air, elle aussi à la limite du perceptible ; cette luminosité provient de plusieurs mécanismes : la chimiluminescence (recomposition de certaines molécules cassées pendant la journée par le Soleil), l’excitation atmosphérique par les rayons cosmiques et, enfin, la recombinaison d’atomes ionisés par ce même Soleil le jour, un peu à la façon des aurores boréales.

     Cette nuit terrestre que l’Homme connaît depuis toujours et dont il aurait tendance à en faire le modèle universel n’est, bien sûr, qu’un cas particulier. Chaque planète, en fonction de sa taille, de sa composition et de sa place dans le cosmos possède une nuit bien à elle et, parfois, franchement étrange.

le système solaire

     Dans notre système, seule Mars pourrait à la rigueur nous rappeler nos nuits d’autant que l’alternance avec le jour y est voisine de la nôtre. Dotée d’une atmosphère ténue à base d’oxyde de carbone, un coucher de soleil sur Mars se fait dans les teintes rouge orangé mais avec, entouré de bleu et pointant sur l’horizon de l’ouest, un globe solaire d’une taille réduite de moitié par rapport à la Terre ce qui est bien normal compte-tenu de l’éloignement. Le robot de la NASA Curiosity qui arpente courageusement cet environnement hostile nous a fait cadeau de superbes clichés en la matière. La nuit, très froide, expose un ciel clouté d’or, fantastique point d’observation pour les scientifiques. Ce n’est pas par hasard que la planète suscite la majorité des projets d’exploration spatiale à venir…

     En revanche, il n’en va pas de même pour Vénus, la sœur jumelle de la Terre, pourtant de taille et de masse comparables. D’abord, cette planète est la seule du système solaire animée d’une rotation rétrograde, ce qui veut dire que là-bas le Soleil se couche à l’est. Pourquoi ? La meilleure hypothèse est celle d’un choc frontal il y a très longtemps avec un astre de la taille de la Lune, voire de Mars, qui l’aurait fait pivoter sur elle-même et tourner à l’envers de toutes les autres planètes (un sens de rotation hérité du nuage protosolaire). Mais , de toute façon, de la surface de Vénus, on ne voit jamais le Soleil… ni, bien entendu, les étoiles. En effet, l’atmosphère de cet astre est très épaisse (90 km) et essentiellement composée de dioxyde de carbone et de dioxyde de soufre. De ce fait, les rayons du Soleil, transformés en infrarouges par le sol, sont piégés par l’atmosphère et contribuent à élever la température globale. Et cette température est brûlante sur Vénus puisqu’elle atteint les 460°. Du coup, le sol est très chaud et rayonne comme un métal chauffé au rouge : un observateur y verrait en permanence une lumière rouge sombre, à peine éclaircie le jour par un Soleil invisible, et sous une atmosphère 92 fois plus dense que celle de notre planète. Un endroit guère sympathique.

     D’autres planètes telluriques du système solaire présentent des nuits extraordinaires : les satellites des géantes gazeuses. On imagine assez difficilement quel peut-être le ciel de Ganymède, un des nombreux satellites de Jupiter : on entrevoit un ciel étrange avec un soleil lointain mais l’énorme masse de la géante omniprésente, renvoyant une luminosité plus ou moins forte. Ganymède est le seul satellite du système solaire qui possède un champ magnétique : le télescope spatial Hubble a enregistré de gigantesques aurores boréales sur la planète ce qui, au demeurant, traduit l’existence d’une grande quantité d’eau salée, certainement souterraine (les scientifiques parlent d’un océan de 100 km de profondeur, enfoui sous 150 km de glace et de roches).

     Titan, lui, tourne autour de Saturne, la géante aux anneaux. C’est un satellite, certes, mais presque aussi grand que la Terre (son rayon fait les 4/5 de celui de notre planète). Il possède une atmosphère épaisse riche en azote, rappelant celle de la Terre primitive.

Titan présente toujours la même face à Saturne et il tourne autour d’elle en 16 jours ce qui veut dire qu’il est éclairé par le Soleil durant huit jours. Mais c’est un Soleil pâle car lointain et le jour de Titan doit être blafard. Par contre, la nuit y est certainement plus claire que sur Terre en raison des anneaux de sa planète-mère qui réfléchissent les rayons du Soleil en une sorte de lune bien plus puissante. Ces anneaux ne sont pas alignés avec le plan solaire et peuvent donc en certains cas continuer à recevoir de la lumière dans l’ombre de la planète géante. L’atmosphère étant épaisse, parfois on doit certainement discerner à travers elle comme des bandes lumineuses puis, mais rarement, par un trou dans les nuages, l’apparition quasi féérique d’un morceau d’anneau en une sorte d’autoroute de lumière.

     Le Soleil est une naine jaune de type spectral G2, de couleur blanche tirant légèrement sur le vert (G2 veut dire qu’il est un peu plus chaud que la moyenne des naines jaunes). Il existe de nombreux autres types d’étoiles, de (presque) toutes les couleurs et de toutes tailles : on imagine aisément les vues exotiques que l’on peut avoir à partir de leurs éventuelles planètes…

planètes extrasolaires et nuits extra-terrestres

     Éventuelles planètes ? Il est vrai que jusqu’à l’extrême fin du XXème siècle, si pour la majorité des spécialistes, il devait exister des planètes tournant autour d’étoiles autres que notre Soleil, la preuve n’en avait pas été apportée et on pouvait encore se poser la question. Aujourd’hui ce n’est plus le cas. Des milliers d’exoplanètes (3414 au 13 mai 2016) ont été découvertes par différentes méthodes (voir le sujet dédié) et, des exoplanètes il y en a beaucoup : les étoiles « solitaires » sont probablement assez rares et, la plupart du temps, ce sont des cortèges de planètes qui gravitent autour de leur astre central. Il y a donc certainement plus de planètes que d’étoiles et le nombre de ces dernières est déjà estimé entre 150 et 200 milliards rien que pour la Voie lactée… et il existe des milliards de galaxies comme elle  !

     Parmi les planètes identifiées à ce jour, certaines ne sont que des points dont la véritable nature nous est totalement inconnue alors que pour d’autres, plus proches ou mieux observables, nous en savons un peu plus. Essayons d’imaginer certaines d’entre elles.

. Isis (HD 189733b) : elle est située à 63 années-lumière de la Terre, dans la direction de la constellation du Petit Renard. C’est une géante gazeuse, un peu plus grosse que Jupiter, gravitant autour d’une étoile naine orange composant d’un système binaire puisque possédant une compagne, une naine rouge encore moins chaude qu’elle. Isis est ce que les spécialistes appellent un « Jupiter chaud », c’est-à-dire une planète de la taille de Jupiter mais située si près de son étoile que la face qu’elle lui présente de façon permanente est brûlée par elle (elle tourne autour de son étoile en un peu plus de… 2 jours). Il y fait chaud, très chaud (plus de 1300°) mais Isis possède une particularité : c’est une planète bleue, le télescope spatial Hubble nous l’a confirmé. Bleu azur pour être précis. Toutefois, rien à voir avec la Terre qui doit sa couleur bleu pâle à ses océans. Isis est bleue en raison de la présence de particules de silicate en suspension dans son atmosphère. Signalons à propos de celle-ci qu’elle s’évapore progressivement à cause de sa proximité avec l’étoile : à terme, Isis sera réduite à son seul noyau rocheux tout comme une planète tellurique de type terrestre et pour la différencier on la classera en planète « chthonienne » (dans la mythologie grecque, les divinité chthoniennes étaient des divinités infernales, souterraines, comme Hadès).

     On imagine donc une nuit perpétuelle seulement éclairée par les étoiles lorsque la planète se trouve du côté opposé aux deux astres de la binaire mais une nuit à la teinte vaguement rouge lorsqu’elle passe entre les deux puisque la naine rouge apparaîtra seule dans le ciel sous la forme d’un globe rougeâtre un peu plus large que la Lune. Sur la partie qui fait face à l’étoile principale, et bien que la naine orange appartienne à la classe des étoiles peu chaudes, Isis est un enfer inondé de chaleur et de lumière avec un immense globe orangé omniprésent. L’atmosphère d’Isis est brumeuse avec des pluies de verre probablement fort violentes d’autant que les vents y avoisinent les 7000 km/h  ! La Vie, en tout cas une vie comme la nôtre, y semble très peu probable…

. OGLE-2005-BLG-390L b : il s’agit de la première planète tellurique découverte en 2005. Elle a été surnommée « Hoth » en référence à la planète de la saga Star Wars dans «  l’Empire contre-attaque » : comme elle, il s’agit d’une super-Terre de glaces, peut-être même une planète-océan gelée, ici probablement en orbite autour d’une naine rouge. Grosse comme 5 fois la Terre (ce n’est donc pas une gazeuse), elle est distante d’environ 22 000 années-lumière, dans la direction de la constellation du

Scorpion. Elle tourne autour de son étoile en à peu près 10 ans mais à une distance d’elle qui, dans notre propre système, la placerait entre Mars et Jupiter… donc dans la zone d’habitabilité… dans le système solaire. Mais son étoile est une naine rouge qui n’envoie que le millième de chaleur et de lumière qu’enverrait le Soleil ; sa température en surface est donc de  - 220°. La planète est vieille (10 milliards d’années) et elle ne diffuse plus aucune chaleur. On peut donc imaginer une surface gelée qui n’est qu’une immense banquise où la nuit est perpétuelle puisque l’étoile rouge l’éclaire à peine. En revanche, plus proche du centre galactique, il est possible que ses cieux soient parsemés de myriades d’étoiles…

. HD 188753Ab : cette exoplanète a été baptisée «Tatooine » ici aussi par référence à celle imaginée dans la saga « Star Wars » car, comme dans le film, elle se situe dans un système à trois étoiles, dans la constellation du Cygne, à environ 150 années-lumière de nous. En effet, son étoile principale est une naine jaune comme le Soleil mais, fait étrange, un couple d’étoiles orangées tournent aussi autour de l’étoile centrale : il doit être particulièrement déstabilisant de voir se lever 3 soleils dont 2 plus sombres que le premier. On imagine les jeux de lumière et, suivant les mouvements et les éclipses des uns et des autres, les différentes nuances de nuits bien spéciales…

. PSR 1257+12b,c et d : l’étoile nommée Lich, située à 980 années-lumière de la Terre, dans la constellation de la Vierge, est entourée de trois planètes (peut-être quatre) découvertes en 2005 mais c’est une étoile morte ! En effet, Lich est une étoile à neutrons (donc les restes d’une étoile géante) qui, de plus, tourne sur elle-même à la vitesse de 9650 tours par minute : il s’agit de ce que l’on appelle un pulsar. C’est d’ailleurs cette caractéristique qui a permis de mettre en évidence les planètes extrasolaires car la moindre perturbation autour d’un pulsar est facilement décelable. Les cieux de ces planètes doivent être étranges et peut-être même effrayants puisque leur soleil ne mesure que 10 km de diamètre et que ses émissions se font dans le domaine des ondes radio : sur les planètes, on ne peut donc pas le voir et on doit avoir l’impression d’être perdu au sein d’un Univers désolé.

. HD 69830 b, c et d : ce système stellaire, situé à 41 années-lumière du Soleil, dans la constellation de la Poupe, comprend une étoile naine orange, presque en fin de vie car âgée de 8 à 9 milliards d’années, entourée de trois planètes de la taille de notre planète Neptune ce qui, d’ailleurs, est la raison pour laquelle on a appelé ce trio le « trident de Neptune ». Bien que presque de la taille du Soleil, l’étoile orange est beaucoup plus vieille que lui et ne diffuse que un peu moins de la moitié de sa lumière. Des deux premières planètes, on suppose que, bien que telluriques, elles sont trop proches de leur étoile pour avoir de l’eau sous forme liquide à leur surface mais la troisième planète se trouve, elle, dans la zone d’habitabilité… Toutefois, sa masse est de 10 fois celle de la Terre et, s’il est plutôt probable qu’il s’agisse effectivement d’une planète rocheuse, elle est entourée d’une épaisse atmosphère… qui n’est probablement pas de l’oxygène… Encore des nuits bien noires en perspective  ! Il reste à préciser que, comme dans le système solaire, il existe dans ce système stellaire un anneau d’astéroïdes et de poussières qui entoure l’étoile mais un anneau bien plus épais (50 fois plus important). De ce fait, on peut se demander si des météorites ne viennent pas assez souvent s’écraser sur la planète, illuminant alors brièvement son ciel…

. Kepler-452-b : découverte dans la direction de la constellation du Cygne en juillet 2015 par le télescope spatial Kepler (d’où son appellation) et située à 1400 années-lumière de notre étoile, cette planète pourrait être une super-Terre…

En effet, la naine jaune centrale, similaire au Soleil avec un rayon de 10% supérieur, diffuse environ 20% de lumière en plus. L’étoile Kepler-452 est plus vieille que le Soleil puisque son âge est d’environ 6 milliards d’années. La planète qui nous intéresse ici est tellurique (les scientifiques en sont certains à 80%) et tourne autour de son étoile en 385 jours. Sa masse est cinq fois supérieure à celle de la Terre - donc susceptible d’abriter des phénomènes volcaniques, sources de chaleur locale - mais surtout, elle se situe dans la zone d’habitabilité du système stellaire. Cela, toutefois, ne suffit pas pour abriter la Vie car il faut également géologie et atmosphère favorables mais c’est un début. On peut néanmoins lui imaginer une atmosphère voisine de la nôtre (c’est ce qu’a fait la NASA lors de la présentation de sa découverte) et donc des nuits semblables aux nuits terriennes. La journée, en revanche, le climat doit être plutôt chaud… au point que certains scientifiques ont évoqué « l’évaporation de ses océans »… s’ils existent : un sort qui pourrait devenir celui de la Terre dans un ou deux milliards d’années…

Découvrir et observer de mieux en mieux des planètes extrasolaires…

     … c’est le futur proche de cette branche de l’astronomie. Avec l’amélioration constante de nos moyens d’observation - et l’apparition de nouveaux - il est certain que nous en saurons plus sur ces planètes lointaines, sur leur atmosphère, la présence ou non d’eau liquide, leur configuration géologique, etc. Par contre, il reste un problème pour le moment complètement insoluble : celui de savoir comment se rendre sur ces mondes lointains.

    En effet, lorsqu’on dit que l’Univers est immense et essentiellement composé de vide, le cerveau humain a du mal à en visualiser les conséquences et pourtant  ! La plus proche étoile de notre Soleil est Proxima du Centaure, située à « seulement » 4,22 années-lumière de nous. Elle fait partie d’un système à trois étoiles appelé alpha du Centaure comprenant, d’une part, une binaire associant une naine jaune un peu plus grosse et plus lumineuse que le Soleil et une naine orangée tournant l’une autour de l’autre en 80 ans environ et, d’autre part, Proxima, l’étoile la plus proche comme l’indique son nom, une naine rouge invisible à l’œil nu de la Terre et qui est indirectement associée au couple.

      La vitesse la plus rapide que pourrait atteindre un mobile de fabrication humaine est estimée par les spécialistes au tiers de la vitesse de la lumière et cela ne concerne que des objets de très petite taille : atteindre Proxima demanderait donc environ 12 à 13 ans avec une même durée pour un éventuel retour… pour un voyage probablement sans objet, Proxima étant peu propice à l’existence de planètes extrasolaires de type terrien. Quant à la récente découverte de la NASA, Kepler-452-b, il faudrait à des explorateurs venant de notre système solaire un peu plus de… 4 000 ans pour s’y rendre. On comprend donc que ces terres lointaines que nous venons d’évoquer sont pour l’instant hors de notre portée. Ce qui ne doit pas empêcher les scientifiques de perfectionner leurs instruments pour affiner leurs observations et faire progresser nos connaissances.

Nota : le paradoxe d’Olbers

      En 1823, l'astronome allemand Olbers posa une "colle" à ses contemporains : "Puisque, avança-t-il, le nombre des étoiles dans le ciel est infini, la nuit, leur lumière devrait nous parvenir de partout et il ne devrait pas y avoir d'espace noir mais uniquement de la luminosité dorée!"

     Formulée sous le nom de paradoxe d'Olbers ou de la nuit noire, cette étonnante remarque resta sans réponse jusqu'au XXème siècle... Bon, on sait aujourd'hui que le nombre des étoiles n'est pas vraiment infini mais quand même : rien que dans notre galaxie, la Voie lactée, il y a entre 200 et 400 milliards d'étoiles. Et que des galaxies dans l'Univers visible, il y en a des milliards, chacune renfermant autant de soleils que notre Voie lactée. Ça fait donc beaucoup de lumière ! Alors ?

     C'est grâce à la théorie de la relativité générale d'Einstein (1915) que l'on aura la réponse. Elle explique que l'Univers a un commencement (Big bang) et qu'il se dilate (expansion) : du coup, comme la vitesse de la lumière est finie (300 000 km/sec), celle des étoiles les plus lointaines n'a pas encore eu le temps de nous parvenir. Comme la puissance de leur lumière, de toute façon, décroit avec leur éloignement, nos nuits resteront donc plutôt noires.

     Il existe bien aussi un rayonnement de fond qui correspond au début de l'Univers (le rayonnement fossile ou fond diffus cosmologique) mais comme il s'éloigne de nous à grande vitesse (toujours l'expansion de l'Univers), il est victime de l'effet Doppler qui le rend invisible à nos yeux ! Heureusement, sinon, nos nuits seraient bien trop claires...

Sources :

1. Wikipedia France

2. Science et Vie.com

3. Encyclopaediae Britannica

4. voielactee.galaxie.free.fr

Images :

1. vue d'artiste d'une planète extrasolaire (sources : sciencesetavenir.fr)

2. la Terre jour et nuit (sources : fr.tubgit.com)

3. coucher de Soleil sur Mars (crédits : NASA)

4. vue d'artiste de la planète Titan (crédits : ledeblocnot.blogspot.com)    

5. vue d'artiste de la planète OGLE-2005 (sources : voielactee.galaxie.free.fr)  

6. vue d'artiste de la planète Kepler 452b (sources : 20minutes.fr)

7. vue d'artiste d'une planète aux trois soleils Gliese 667c (sources : citzenpost.fr)

Mots-clés : planète tellurique - géante gazeuse - lumière zodiacale - paradoxe d'Olbers - robot Curiosity - nuage protosolaire - champ magnétique - planètes extrasolaires - planète chthonienne - étoile à neutrons -

(les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

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mise à jour : 19 mars 2023

   Einstein avait un problème avec la physique de Newton : il n’arrivait pas à comprendre comment elle acceptait qu’un objet éloigné puisse avoir une influence immédiate sur un autre corps puisque, pour lui, la vitesse de la lumière était finie et indépassable. Par ailleurs, les lois de Newton semblaient s’appliquer assez justement aux phénomènes observables dans notre environnement proche mais qu’en était-il au-delà ? Il s’attela donc à repenser entièrement l’ensemble de l’édifice théorique et à écrire les formules mathématiques justifiant une nouvelle approche. Dès 1905, il publia sa théorie de la relativité restreinte qui concernait les phénomènes utilisant des vitesses constantes avant, dix ans plus tard, de généraliser sa théorie en y incluant la gravitation.

   Il expliqua que la physique newtonienne s’appliquait assez justement tant qu’elle ne concernait pas les « grands espaces » car, en effet, ses approximations, forcément infimes à notre échelle, ne sont guère perceptibles. Du coup et afin de convaincre les hésitants, sa théorie devait pouvoir corriger les  « imprécisions newtoniennes » et c’est bien ce qu’il se passa. Il restait un phénomène prévu par la théorie d’Einstein mais jamais encore observé : les ondes gravitationnelles. C’est à présent - et depuis quelques mois - chose faite.

Les grandes lignes de la physique einsteinienne

   Dans la théorie de la relativité restreinte qui, rappelons-le, ne concerne que les phénomènes se déroulant à vitesse constante, on trouve des éléments fondamentaux comme :

         * la constance de la vitesse de la lumière (exactement 292 792 458 m/sec, soit un peu moins de

300 000 km/sec), vitesse indépassable. Dans le système solaire, les distances bien que gigantesques à nos yeux sont en réalité très modestes à l’échelle de l’Univers : elles se calculent en minutes-lumière, voire en heures-lumière pour l’éloignement des planètes géantes de notre système. Toutefois, l’étoile la plus proche du Soleil (alpha dite Proxima du Centaure) est actuellement située à près de 4 années-lumière et notre galaxie (qui mesure entre 70 000 et 100 000 années-lumière de longueur) est située à des millions d’années-lumière de sa proche voisine Andromède : nous ne sommes plus dans le même ordre de grandeur et les approximations de la physique newtonienne ne sont plus acceptables à si grande échelle.

         * il existe une stricte équivalence entre énergie et matière comme le résume fort bien la célèbre formule E = mc² (l’énergie d’un objet de masse m au repos est égale à sa masse que multiplie le carré de la vitesse de la lumière). Or, dans cette formule c² est forcément gigantesque (le carré de 300 000 000  !) et cela veut donc dire que le fait de faire disparaître une infime quantité de matière m produit une énergie colossale. Pour illustrer cela, on prend souvent l’exemple d’un gramme de matière qu’on anéantirait avec un gramme d’antimatière : l’énergie produite serait équivalente à la bombe d’Hiroshima…

         * l’espace et le temps sont liés et ne peuvent être dissociés. On vient de dire que la vitesse de la lumière ne pouvait être dépassée et qu’elle est constante dans un référentiel inerte (c’est-à-dire sans accélération) : de ce fait, si la vitesse de la lumière est constante, la variation ne peut venir que du temps… Le temps peut ralentir, s’accélérer voire se dilater indéfiniment  ! Il s’agit d’une notion difficile à comprendre pour nos esprits confrontés à la petitesse de notre environnement. Bien entendu, les contemporains d’Einstein eurent eux aussi du mal à admettre ces notions et il leur fallait des preuves.

   De plus, la relativité restreinte ne concerne, on vient de le dire, qu’une approche locale des phénomènes physiques, concernant des vitesses constantes, sans accélération. Ce qui ennuyait fortement Einstein qui souhaitait « généraliser » sa théorie à l’ensemble des situations et c’est la raison pour laquelle, dix ans plus tard, en 1915, il présenta une théorie de la relativité, générale cette fois.

   Cette généralisation de la relativité restreinte intègre la gravitation et cela change beaucoup de choses. La

première conséquence en est que, dans ce modèle, l’espace est déformable : tout objet entraîne la courbure plus ou moins importante de l’espace où il se trouve et l’importance de cette courbure sera proportionnelle à la valeur de sa masse. Du coup, l’espace déformé est une sorte de cuvette plus ou moins profonde au centre de laquelle siège l’objet et la distance entre deux points ne sera plus une ligne droite mais une ligne courbe plus ou moins inclinée selon la pente de la cuvette : on parle alors de géodésique.

   Au-delà de l’aspect quelque peu inhabituel du concept, on pourrait éventuellement penser qu’il s’agit en réalité de détails mais c’est tout le contraire. En effet, si un plus petit objet se trouve à proximité d’un plus gros, comme, par exemple, la Terre à proximité du Soleil, le plus petit s’approchera du plus gros en suivant une géodésique et non une ligne droite : il ne « tombera » alors pas sur le plus gros mais se mettra en orbite autour de lui… Cette courbure que l’objet le plus gros crée autour de lui et qui « capture » l’objet le plus petit se fait à la vitesse de la lumière et, du coup, la théorie répond à ce qui paraissait incompréhensible dans la physique newtonienne.

   À la suite de la publication de sa théorie de la relativité générale, Einstein tenait quelque chose de complètement nouveau qui permettait d’avoir un regard neuf sur l’Univers et ses lois. Il n’en restait pas moins qu’il s’agissait d’une théorie, séduisante certainement, mais une théorie qu’il fallait valider.

Les preuves progressivement acquises

   Nous ne reviendrons que succinctement sur les différentes « preuves » de la validité de la relativité générale, le sujet ayant déjà été traité (voir : théorie de la relativité générale).

   La première réponse de la théorie concerna un problème exclusivement astronomique : l’avance du périhélie de Mercure, c’est-à-dire le point le plus proche de Mercure par rapport au Soleil, un problème que la physique de Newton ne savait pas résoudre : la Relativité l’explique parfaitement.

   Vint ensuite la preuve par l’observation de mirages gravitationnels (ou lentilles gravitationnelles) : il s’agit ici

du chemin parcouru par une lumière lointaine lorsqu’elle arrive à proximité d’un objet de masse importante situé entre elle et l’observateur. Si l’espace est réellement courbé par l’objet, la lumière provenant de l’objet lointain prendra plusieurs chemins dans la « cuvette » ainsi formée (géodésiques) par l’objet intermédiaire et l’observateur verra l’image de l’objet lointain plusieurs fois… On profita d’une éclipse de soleil en 1919 (c’était lui l’objet massif) et on constata la déviation de la lumière d’étoiles fixes parfaitement connues au passage de notre étoile. C’était une confirmation éclatante de la théorie et nul ne se risqua plus à la mettre réellement en doute : son inventeur devint du jour au lendemain un des scientifiques les plus célèbres du monde.

   D’autres expériences dites « relativistes » restaient à faire pour conforter le bien-fondé de la Relativité générale et, au fil des années, la technique aidant, elle furent réalisées, chaque fois avec un résultat positif. Toutefois, une preuve manquait à l’appel en raison de la grande difficulté à recueillir les informations sur le phénomène : l’observation d’ondes gravitationnelles.

Les ondes gravitationnelles

* la théorie

   Puisque l’espace et le temps ne font qu’un, chaque fois qu’il se produit un événement massif dans l’Univers, la conséquence en est un réajustement local et la création de très faibles perturbations qui se propagent dans l’espace à la vitesse de la lumière. Ces ondulations ressemblent à celles qu’on peut observer à la surface d’un lac lorsqu’on y jette un caillou. Ce sont ces perturbations infimes de l’espace-temps que l’on appelle ondes gravitationnelles. En réalité, il existe deux types d’ondes gravitationnelles : celles qui sont apparues juste après le Big bang et qu’on appelle les ondes primordiales et celles qui correspondent aux déplacements d’objets massifs dans l’Univers.

   Il s’agit d’un phénomène qui a été théorisé des 1916 par Einstein. Toutefois, on savait depuis le début qu’il serait très difficile d’enregistrer ces ondes car deux paramètres entrent en jeu : 1. La puissance du phénomène qui doit être majeur pour être perceptible (la simple explosion d’une étoile, même géante, ne suffisant pas) et 2. La finesse d’enregistrement des instruments susceptibles de mettre en évidence l’événement : on estime qu’un plissement gravitationnel entre la Terre et la Lune aurait l’épaisseur… d’un atome.

   Ajoutons à cela que les scientifiques n’étaient pas certains de la validité de la théorie sur ce point précis ; Einstein lui-même était revenu à plusieurs reprises sur ce qu’il pensait, se demandant s’il existait vraiment une réalité physique au phénomène ou s’il ne s’agissait pas tout bêtement d’un problème mathématique dépendant du choix du système de coordonnées retenu, ce que les spécialistes appellent un « effet de jauge ».

* la première preuve indirecte

   En 1974, deux astronomes américains, Russell Hulse et Joseph Taylor, étudiaient le pulsar PSR1913+16. Rappelons qu’un pulsar est le stade terminal de la vie d’une étoile massive, lorsque l’enveloppe externe de l’étoile a disparu et

qu’il ne reste plus que qu’un cœur hypermassif sous forme d’une étoile à neutrons. Une étoile à neutrons tourne plusieurs centaines de fois par seconde sur elle-même, projetant un faisceau de radiations à la manière d’un phare d’où le nom de pulsar. Toutefois le pulsar étudié par les deux scientifiques avait la particularité d’être formé de deux étoiles à neutrons et, du coup, on pouvait calculer la période orbitale du couple. Or les calculs montraient que cette période orbitale décroissait d’un millième de seconde chaque année… très certainement du fait de la formation d’ondes gravitationnelles. Prix Nobel de physique pour les deux chercheurs en 1993 et grande avancée de la théorie de la relativité mais... on était toujours à la recherche d’une preuve directe.

* l’observation de LIGO

   Le 14 septembre 2015, à très précisément 9h51 (temps universel) soit 11h51, heure de Paris, deux interféromètres, situés à 3000 km l’un de l’autre et constituant l’expérience nommée LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), enregistrèrent simultanément le passage d’une onde

gravitationnelle. On a déjà dit qu’il fallait un  événement considérable pour que puisse être mis en évidence cette très faible fluctuation de l’espace-temps : cet événement s’est produit il y 1,3 milliard d’années lors de la collision de deux trous noirs. On peut dire la chose différemment : en dépit de sa vitesse prodigieuse (300 000 km/sec), cette déformation parcourant l’Univers aura mis 1,3 milliard d’années à nous parvenir… Oui, l’Univers est immense…

   Ce cataclysme ancien s’est produit quelque part dans l’hémisphère sud sidéral sans que l’on puisse apporter d'autres précisions (il aurait fallu plus d’interféromètres pour une meilleure localisation). Les deux trous noir « pesaient » respectivement 29 et 36 fois la masse du Soleil et ils ont fusionné dans un maelstrom cataclysmique pour aboutir à un super trou noir d’environ 62 masses solaires : les « 3 masses solaires manquantes » ont été converties en énergie précisément véhiculée par les ondes gravitationnelles. C'est cette contraction infinitésimale qu'ont enregistrée les capteurs de LIGO : infinitésimale, en effet, puisque la contraction de l'espace observée était de l'ordre de 100 000 milliards de fois inférieure à un cheveu !

   Outre la mise en évidence des ondes gravitationnelles et la déformation de l’espace-temps, l’observation LIGO a dans le même temps définitivement établi l’existence des trous noirs dont quelques scientifiques doutaient encore. Et valider encore une fois s’il en était besoin la théorie einsteinienne de la relativité générale…

Une nouvelle astronomie

   Il est entendu que le fait d’avoir enregistré pour la première fois des ondes gravitationnelles est un événement considérable, la consécration de la pensée théorique et de l’observation scientifique. Pourtant, ce n’est peut-être pas là le principal : en démontrant la réalité de ces ondes si longtemps recherchées, c’est tout l’avenir de l’astronomie des espaces lointains qui est transformé.

   En effet, toute une partie de l’Histoire de l’Univers jusqu’à présent inaccessible avec nos outils classiques le devient grâce à l’interférométrie spécialisée : on imagine que l’explication d’événements tels que des coalescences de trous noirs, l'explosion d'étoiles géantes, la chute d’étoiles à neutrons sur l’horizon de trous noirs, bien d’autres phénomènes galactiques mal élucidés sont à portée de main. Mais on peut surtout espérer que cette nouvelle approche de l’exploration astronomique nous permettra de pénétrer les premiers instants de la formation de l’Univers, juste après le Big bang, durant ces fameuses 380 000 premières années alors que la lumière n’était pas encore apparue. On pourra donc peut-être voir au-delà du rayonnement fossile, ce fameux fonds diffus cosmologique qui était jusqu’à présent pour tous une limite indépassable…

Cette percée marque la naissance d'un domaine de l'astrophysique entièrement nouveau, comparable au moment où Galilée a pointé pour la première fois son télescope vers le ciel au XVIIe siècle

 (France Cordova, National Science Foundation, USA)

Sources :

* Wikipedia France (https://fr.wikipedia.org/)

* Revue Science et Avenir (http://www.sciencesetavenir.fr/)

* Jean-Pierre Luminet, astrophysicien

 (http://blogs.futura-sciences.com/luminet/)

* journal Le Monde (http://www.lemonde.fr)

* revue Science & Vie (http://www.science-et-vie.com)

Images

1.  vue d’artiste d’ondes gravitationnelles générées par la coalescence de deux trous noirs (source : tempsreel.nouvelobs.com)

2. Albert Einstein (sources : mirror.co.uk)

3. le couple Terre-Lune (sources : anarchies.e-monsite.com)

4. mirage gravitationnel "la croix d'Einstein (sources : univers-astronomie.fr)

5. vue d'artiste d'un pulsar (sources : maxisciences.com)

6. interféromètre du projet LIGO (sources : www.sciencemag.org/)

7. fonds diffus cosmologique (sources : astro.kizix.org)

(pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés : Albert Einstein - théorie de la relativité générale - avance du périhélie de Mercure - mirages gravitationnels - période orbitale - rayonnement fossile

 (les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

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mise à jour : 19 mars 2023

   Dans quelque direction que l’on observe, l’Univers se compose de milliards de galaxies renfermant chacune des milliards d’étoiles. Ces galaxies sont organisées en petits groupes si éloignés les uns des autres que, la gravitation ne pouvant jouer sur de telles distances, c’est l’expansion de l’Univers qui les fait s’éloigner d’autant plus vite qu’ils sont plus lointains. En revanche, dans chacun des groupes qui peuvent contenir de quelques dizaines de galaxies à plusieurs centaines, la gravitation reprend ses droits et ces gigantesques masses stellaires se rapprochent inexorablement les unes des autres pour, à terme, ne devoir plus former qu’une seule galaxie géante par groupe. La Voie lactée fait partie d’un ensemble appelé groupe local qui contient une quarantaine de galaxies et elle en est la deuxième en taille, juste derrière sa voisine la grande galaxie d’Andromède : cette dernière est sa sœur jumelle avec laquelle elle fusionnera dans 4 à 5 milliards d’années. Essayons de faire plus ample connaissance avec notre galaxie, cette Voie lactée que les puristes appellent simplement « la Galaxie » (avec un G majuscule)…

La Voie lactée est une galaxie comme les autres

   Quelle est donc, chantée par Nougaro, cette « Voie lactée, voie clarté, où les pas ne pèsent pas » ? Eh bien jusqu’à il y a peu (les années 1920), c’était tout l’Univers connu et les plus illustres des scientifiques de l’époque n’imaginaient pas que l’Univers réel était encore bien plus immense, s’étendant très au-delà. Pour le comprendre, il faudra attendre les travaux de Edwin Hubble qui, du coup, remit la Voie lactée en perspective en définissant réellement ce qu’elle est : une galaxie comme les autres.

   Par une nuit particulièrement obscure, c’est-à-dire sans lune et loin des lumières artificielles des hommes, la Voie lactée

apparaît, au milieu des étoiles, comme une bande claire s’appuyant sur deux points de l’horizon : il s’agit bien de notre galaxie mais vue par la tranche depuis l’un de ses bords, notre Soleil étant relativement excentré. Les Anciens qui ne comprenaient pas la nature réelle de ces images avaient trouvé des réponses dans la mythologie. Galaxie vient du grec (galactos = lait) tandis que les Romains évoquaient une « via lacta » : pour certains, il s’agissait du lait que Hercule avait fait jaillir du sein de Junon, épouse et sœur de Jupiter, alors que pour d’autres, la trace lactescente provenait du sillage de flammes laissé par le char du Soleil conduit par Phaéton, son fils, lorsque celui-ci en perdit le contrôle. Poétique sans doute mais fort loin de la réalité : on pardonne aisément car les moyens techniques étaient limités.

   La Galaxie est une spirale barrée (on le sait depuis 1991), c’est du moins ce que nous a appris le télescope spatial Spitzer en 2005. Elle se compose d’un noyau central en forme de barre prolongé par un grand disque d’étoiles et de poussière présentant des bras spiraux et entouré par un halo.

le centre galactique

   C’est un gros renflement appelé bulbe essentiellement composé de vieilles étoiles rouges dites de « population II » ce qui signifie qu’elles sont très anciennes, datant des débuts de la Galaxie, il y a 12 ou 13 milliards d’années. En raison de nuages de poussière compacts, ce centre est difficile à observer mais on sait qu’il est également occupé par un gigantesque trou noir (comme d’ailleurs la plupart des galaxies) actuellement en repos (voir : Sagittarius A, le trou noir central de la Galaxie).

   La barre centrale est d’une longueur voisine de 27 000 années-lumière et elle est entourée d’une sorte d’anneau qui contient la

plus grande partie de l’hydrogène de la Galaxie : c’est grâce à lui que se forment les nouvelles étoiles et il n’est donc pas étonnant que cet endroit en soit une vraie pouponnière. D’ailleurs, un observateur situé quelque part dans la galaxie d’Andromède verrait cet endroit comme le plus brillant de toute notre galaxie…

le disque

est une structure relativement plate entourant le centre et il renferme quatre bras spiraux plutôt évasés. Il est évidemment difficile d’observer de l’intérieur une construction dont on fait partie mais on a pu estimer sans trop d’erreur son épaisseur à 2500 années-lumière et son diamètre à environ 70 000 années-lumière, en sachant que du gaz prolonge l’ensemble pour un diamètre total de 100 000 années-lumière, voire plus. 

Et notre étoile ? Le soleil se trouve à environ 27 000 années-lumière du centre, relativement excentré donc, dans un endroit

appelé le bras d’Orion (voir : place du Soleil dans la Galaxie). Il s’agit d’une distance considérable qu’il faut constamment souligner tant les chiffres sont difficiles à appréhender. Rappelons que la plus proche étoile du Soleil est la naine rouge alpha du Centaure et qu’elle est située à 4,4 années-lumière ce qui veut dire que l’engin le plus performant que pourrait créer l’Homme mettrait, d’après les spécialistes, une dizaine d’années pour l’atteindre (à une vitesse d’à peu près la moitié de celle de la lumière). Avec ce moyen de transport (qui n’existe pas encore), il faudrait donc plus de 50 000 ans pour atteindre le centre galactique et 50 000 ans, c’est la durée qui nous sépare de la fin du paléolithique moyen, soit 10 000 ans avant l’Aurignacien qui vit apparaître des hommes aux caractéristiques modernes  !

les bras spiraux

   Difficiles à observer en raison de la position du Soleil, on a longtemps pensé qu’il y en avait quatre principaux partant du centre galactique (bras de Persée, bras de la Règle et du Cygne, bras Écu-Croix et bras Sagittaire-Carène). Il existe aussi deux bras plus courts dits mineurs dont l’un est important pour nous puisqu’il contient le Soleil : c’est le bras d’Orion (notre étoile se trouve sur son bord intérieur) qui est peut-être une branche du bras de Persée mais on n’en est pas encore totalement sûr.

   Toutefois, en 2008, le télescope Spitzer a quelque peu rebattu les cartes en démontrant que la Galaxie n’a probablement que deux grands bras spiraux (Persée et Écu), les deux autres étant relégués au rang de bras secondaires, l’ensemble formant une structure au fond plus conforme à celle d’une galaxie barrée. Nouveau changement il y a quelques mois : la Voie lactée retrouve ses quatre bras après un comptage approfondi de certaines catégories d’étoiles… En réalité, les deux opinions sont probablement exactes et complémentaires : les deux bras reconnus par Spitzer sont ceux qui contiennent la majorité des étoiles tandis que les deux autres sont plus riches en gaz. On en saura plus avec le satellite Gaïa lancé récemment…

le halo

   C’est la région de l’espace qui entoure les galaxies spirales et donc la Voie lactée. On y rencontre évidemment bien moins d’étoiles que dans le disque ou le bulbe et, de plus, ces étoiles

anciennes, toutes de catégorie II, ont des mouvements parfois étranges, des orbites rétrogrades ou fortement inclinées, voire totalement irrégulières. Certaines des naines rouges actuellement à proximité du Soleil (Groombridge 1830 à 29,7 années-lumière, Kapteyn à 12,8 années-lumière) sont suspectées de faire partie de ces étoiles du halo, de passage en quelque sorte dans le disque galactique qu’elles traversent de part en part…

   D’où viennent alors ces étoiles qui semblent échapper aux règles communes ? Eh bien très certainement de petites galaxies satellites de la Voie lactée qui ont été « capturées » au fil du temps. C’est, par exemple, le cas de la galaxie naine du Sagittaire (située de l’autre côté du disque par rapport au Soleil et donc difficile à observer) dont la Voie lactée « a phagocyté » un certain nombre d’étoiles qu’elle « a regroupé » dans des amas globulaires (voir plus bas). Cette galaxie naine (mais c’est également vrai pour les autres) devrait passer, elle, à travers la disque de la Voie lactée dans environ 100 millions d’années et elle y perdra nombre de ses étoiles avant d’être à terme définitivement absorbée.

   On rencontre donc dans ce halo de nombreux amas globulaires (150 sont visibles et il doit en exister bien d’autres). Ces amas comprenant chacun plusieurs dizaines de milliers d’étoiles se sont pour la plupart vraisemblablement formés en même temps que la Galaxie (d’autres, comme on l’a vu, ont été arrachés à des galaxies satellites) et c’est la raison pour laquelle leurs étoiles sont vieilles. Le cas particulier d’amas globulaires contenant des étoiles bleues, donc jeunes, n’a pas remis en cause cette notion comme on peut le lire dans le sujet dédié : amas globulaires et traînards bleus.

   Et puis il y a la « matière noire » bien présente dans le halo et sur laquelle nous allons revenir.

La galaxie tourne sur elle-même de façon complexe

   Toutes les étoiles de la Galaxie sont animées d’un mouvement en

fait conjugué : mouvement d’ensemble, galactique, et mouvement propre à chacune. Ces mouvements sont évidemment complexes et il existe plusieurs moyens de les calculer ; l’un des principaux est le calcul de la parallaxe d’une étoile, c’est-à-dire l’angle sous lequel peut être vue depuis une étoile une longueur de référence (par exemple le rayon de la Terre pour les étoiles proches). On peut également avoir recours au calcul de la vitesse radiale d’une étoile par l’étude du déplacement de ses raies spectrales par effet Doppler. Quoi qu’il en soit, on peut ainsi mettre en évidence que l’ensemble de la Voie lactée est en rotation autour de son centre, tournant dans le sens des aiguilles d'une montre.

   Toutefois, comme écrit plus haut, il existe deux déplacements pour une étoile comme le Soleil : général avec l’ensemble de la Galaxie et propre à lui-même dans son environnement immédiat ; le Soleil fait le tour de la Galaxie en 226 millions d’années (ce qui veut dire qu’il en est à son vingtième) à la vitesse de 250 km/s mais sa vitesse propre par rapport aux étoiles voisines de référence est de 19,5 km/s en direction de la constellation d’Hercule…

   Il ne faudrait pas croire que la Voie lactée tourne à la façon d’un gigantesque disque solide (comme ceux de nos anciens tourne-disques) car, en effet, la répartition des étoiles n’est pas la même partout. Au centre, elles sont nombreuses et rapprochées et ont donc des interactions les unes avec les autres tandis que, en périphérie où elles sont plus rares, les étoiles interagissent moins. La rotation de la Voie lactée rappelle celle d’un solide au niveau du bulbe tandis qu’elle est beaucoup plus variable en périphérie du disque et des bras spiraux. De plus vient se surajouter la présence de la matière noire…

La matière noire du halo

   C’est à Fritz Zwicky que l’on doit pour la première fois l’évocation d’une mystérieuse « matière », invisible et indétectable, mais à l’influence très importante sur les galaxies. En effet, le scientifique suisse avait, dès les années 1930, observé une grande structure galactique située à environ 300 millions d’années-lumière de nous, l’amas de Coma. Il avait calculé que la vitesse de certaines galaxies de cet amas pouvait atteindre les 1000 km/s, une vitesse qui, normalement, aurait dû tout simplement les expulser de la structure. Mais, bien sûr, ce n’est pas le cas : ces galaxies restent soudées les unes aux autres comme par une force mystérieuse. Zwicly en fut alors certain : tout cela ne peut relever que de la gravitation ce qui sous-entend qu’il existe une matière non visible dont la masse intervient. Il refit ses calculs et arriva à la conclusion que cette masse invisible, baptisée « matière manquante », pèse 500 fois plus que toute la matière visible de l’amas… Bien entendu, on ricana à ces affirmations et la découverte de Zwicky fut enterrée durant 40 ans…

   Dans les années 1970, c’est une américaine, Vera Rubin (1928-2016), qui se mit au travail sur la question. Les télescopes étant devenus plus

performants, on pouvait de ce fait distinguer individuellement certaines étoiles de la galaxie d’Andromède M31 et, surprise, l’astrophysicienne s’aperçut que les étoiles en périphérie d’Andromède tournent aussi vite que celles de son centre ! Une seule explication est envisageable : en fait, c’est toute la galaxie qui est le centre et elle est entourée d’une « périphérie » composée d’une matière invisible appelée matière noire…

   Aujourd’hui, on sait que cette matière noire est présente en quantité importante dans toutes les galaxies et notamment dans le halo de la Voie lactée : la vitesse de rotation de celle-ci devrait diminuer à grande distance du noyau central mais ce n’est pas le cas. Exactement comme pour la galaxie d’Andromède. Il existerait bien une autre explication qui serait que la théorie de la gravitation, la Relativité générale, est fausse ; peu de scientifiques croient à cette dernière hypothèse, surtout à un moment où on vient de mettre en évidence, fin 2015, les ondes gravitationnelles prédites par Einstein dans sa théorie, il y a plus de cent ans  ! Les spéculations sur la matière noire vont bon train (voir le sujet : matière noire et énergie sombre) mais sans réelle avancée jusqu’à présent.

   Andromède contient certainement plus d’étoiles que notre galaxie et, de ce fait, on pourrait dire qu’elle est plus grosse qu’elle mais elle est également plus massive puisque, selon des calculs récents, elle contiendrait deux fois plus de matière noire que la Voie lactée. Pourquoi et de quoi est faite cette matière noire ? Jusqu’à ce jour le mystère reste total.

Le groupe local

   On disait en préambule que les milliards de galaxies de l’Univers étaient regroupés dans des structures comprenant quelques dizaines d’entre elles, appelées groupes pour moins de cent galaxies ou amas pour plus de cent. À une échelle encore supérieure, ces groupes ou amas sont d’ailleurs eux-mêmes associés dans des structures géantes dénommés superamas. La Voie lactée ne fait pas exception et le groupe auquel elle appartient est tout simplement baptisé groupe local, une structure rassemblant une trentaine ou une quarantaine de galaxies (en raison de la poussière et de la position du Soleil, certaines sont difficiles à mettre en évidence).

   D’un diamètre d’environ 10 millions d’années-lumière, le groupe local est dominé par deux galaxies géantes, Andromède, la plus grosse, et la Voie lactée. Ces deux entités se rapprochent l’une de l’autre à la vitesse de 130km/s (soit 468 000 km/h) mais, encore séparées par une distance de 2,5 millions d’années-lumière, leur rencontre ne se fera pas avant plusieurs milliards d’années : la date est encore incertaine et le satellite Gaïa, déjà cité, devrait nous en dire plus en permettant de calculer plus précisément la vitesse d’Andromède.

   Chacune de ces deux géantes possède son cortège de galaxies satellites. Pour la Voie lactée (qui en a déjà absorbé plusieurs), il s’agit surtout des deux nuages de Magellan, galaxies irrégulières respectivement à 157 000 années-lumière pour le Grand Nuage (50 milliards d’étoiles) et à 197 000 années-lumière pour le Petit (25 milliards d’étoiles). Preuve de l’influence gravitationnelle considérable de la Voie lactée, il existe deux appendices liant les nuages à celle-ci et cela même si l’on n’est pas tout à fait sûrs que les dits-nuages seront complètement attirés. Autre galaxie satellite de la Voie lactée, celle du Grand Chien (la plus proche, à 25 000 années-lumière), celle du Sagittaire, déjà évoquée, et quelques autres plus petites (Petite Ourse, Dragon, Fourneau, Lion, etc.).

   La galaxie d’Andromède, quant à elle, a pour satellite principal la

troisième (et dernière) galaxie spirale du groupe, la galaxie du Triangle M33 dont la masse est estimée à 60 milliards d’étoiles (ce qui en fait la troisième plus massive du groupe local) mais représente à peine plus de 5% de la masse d’Andromède estimée à 1 000 milliards d’étoiles. Un cortège d’autres galaxies elliptiques naines, voire irrégulières, entoure Andromède tandis que quelques galaxies de taille modeste paraissent indépendantes.

Et au delà ?

   Le groupe local fait partie d'un superamas composé d'une centaine d'amas de galaxies dont le plus volumineux est l'amas de la Vierge (qui donne son nom au superamas) au diamètre impressionnant de 100 millions d'années-lumière. Le superamas de la Vierge est lié à d'autres superamas tels celui du Centaure, celui de l'Hydre ou encore celui de Pavo indus, le tout aboutissant à un ensemble d'environ 100 000 galaxies appelé Laniakea. Ce nombre est à comparer à l'estimation totale du nombre de galaxies présentes dans l'univers observable (93 milliards d'années-lumière environ) qu'on estimait à environ 200 milliards : récemment le télescope spatial Hubble a permis de réévaluer ce nombre à 2000 milliards. Chaque galaxie contenant une moyenne de 200 à 300 milliards d'étoiles et probablement beaucoup plus de planètes, nous arrivons alors à des chiffres impossibles à intégrer par le cerveau humain !

La Voie lactée, combien d’étoiles ?

   On vient de dire que la taille de la galaxie d’Andromède était estimée à 1 000 milliards d’étoiles, que l’on pensait à 50 milliards pour le Grand Nuage de Magellan, 25 milliards pour le Petit Nuage mais que sait-on à propos de notre galaxie elle-même ?

   Comme il est toujours difficile d’observer quelque chose dont on fait partie, après bien des hésitations, les scientifiques sont à peu près tombés d’accord pour estimer le nombre d’étoiles dans la Voie lactée compris dans une fourchette de 200 à 400 milliards. En 1985, un grand projet de comptage des étoiles de notre galaxie a été lancé au sein de l’Observatoire de Besançon. Le résultat de cette étude qui aura duré 25 ans a été donné en 2009 : la Voie lactée renferme 170 milliards d’étoiles (à quelques milliards d’incertitude près). Le nombre est moins important que celui attendu mais ce qui a surtout marqué les esprits, c’est la répartition des étoiles par types. En effet, l’étude montre que les petites étoiles, celles qui ont les masses les plus faibles, sont largement majoritaires : plus de 60% du total sont des naines rouges, bien moins lumineuses que le Soleil ! Justement, à propos de lui qui est une naine jaune, est-il bien une étoile moyenne comme on le présente habituellement ? Eh bien non : notre Soleil fait partie d’un groupe minoritaire puisque des étoiles ayant sa luminosité représentent moins de 15 % (2,5 milliards d’individus) de l’ensemble. De la même façon, les étoiles très lumineuses, ces géantes bleues ou rouges que l’on évoque si souvent, sont, elles, ultra-minoritaires, quelques millions seulement. En fait, ce sont « les obscurs, les sans-grade » qui dominent. D’autant que sur les 170 milliards d’astres recensés, près d’un tiers sont des étoiles ratées (naines brunes) ou des étoiles mourantes ou ne brillant plus (faiblement) que par leurs restes (comme les naines blanches).

   Il n’empêche : 170 milliards, cela fait quand même beaucoup d’étoiles et si l’on songe que chacune d’entre elles est susceptible de posséder plusieurs planètes, le nombre de celles-ci devient alors gigantesque. D’après les spécialistes des planètes extrasolaires, 70% des jeunes étoiles sont entourées de planètes de « taille terrestre » et beaucoup pensent que, si presque toutes les étoiles possèdent des systèmes planétaires, on peut avancer le chiffre de mille milliards de planètes dans la Voie lactée. Un chiffre qui ne laisse aucun doute sur la présence parmi elles de planètes tout à fait semblables à la nôtre…

   La Voie lactée est vaste et donc peuplée de beaucoup d’étoiles. Comme pour toute galaxie, on doit y observer des supernovas (voir : novas et supernovas), étoiles géantes mourantes qui, l’espace de quelques jours, illuminent le ciel de leur incandescence

fugitive. L’estimation des astronomes est qu’un tel événement devrait se produire 2 à 3 fois par siècle. Pourtant, la dernière supernova observée dans la Voie lactée date d’avant l’invention de la lunette astronomique puisque c’est Kepler lui-même qui décrivit une supernova apparue dans la constellation d’Ophiucus en 1604. Il s’agit là probablement d’une curiosité statistique. Quoi qu’il en soit, la plus connue des supernovas est celle de 1054 qui est visible de nos jours sous la forme d’un rémanent, la nébuleuse du Crabe (bien qu’elle ait probablement été moins intense que celle de l’an 1006, cette dernière ayant été, avec le Soleil, la seule étoile à avoir jamais produit des ombres à la surface de la Terre).

Le gigantisme de la Voie lactée : une poussière à l’échelle de l’Univers

   S’il est un élément qu’il convient de rappeler lorsqu’on parle d’astronomie, ce sont les distances si importantes entre les objets de l’espace que, le plus souvent, le cerveau humain n’arrive pas à les concevoir. La sonde Voyager 1, par exemple, aura mis pas moins de 30 ans pour sortir du simple système solaire et, pourtant, elle file à la vitesse de 17 km/s  ! Comme on l’a déjà dit, c’est en dizaines d’années qu’il faut envisager un voyage jusqu’à la plus proche étoile voisine : on imagine volontiers ce que représente des voyages vers le centre de la Galaxie ! Sans évidemment parler des voyages intergalactiques, tout bonnement impossibles… Reste que, statistiquement, la Vie existe très certainement quelque part au sein de notre galaxie mais que le problème est de la rejoindre, à supposer que l’on sache où chercher… Distances complètement infranchissables au sein même de notre propre galaxie… qui représente, par rapport à l’immensité de l’Univers, moins qu’un grain de sable à la surface de la Terre : oui, l’Homme est bien petit dans cette Nature immense.

Sources :

1. Wikipedia France

2. Science et Vie.com

3. Encyclopaediae Britannica

4. planete.gaia.free.fr

5. www.cosmovision.com

6. www.astronomes.com

Images :

1. Voie lactée en Australie (sources : tuxboard.com)

2. Voie lactée (sources : Wikipedia.org)

3. schéma galaxie barrée (sources : jacques.rosu.perso.sfr.fr)

4. place du Soleil dans la Galaxie (sources : maxisciences.com)

5. structuration d'une galaxie spirale (sources : nrumiano.free.fr)

6. galaxie des chiens de chasse M51 (sources : flashespace.com)

7. Véra Rubin (sources : spaceanswers.com)

8. galaxies du groupe local (sources : fr.wikipedia.org)

9. galaxie d'Andromède M31 (sources : media4.obspm.fr)

10. nébuleuse du Crabe (sources : hubblesite.org)

(pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés : Andromède M31 - groupe local - Edwin Hubble - bras d'Orion - télescope spatial Spitzer -  amas globulaires - galaxies satellites naines - matière noire - Fred Zwicky - Véra Rubin - ondes gravitationnelles - nuages de Magellan - supernovas - nébuleuse du Crabe

 (les mots en gris  renvoient à des sites d'information complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog

1. place du soleil dans la Galaxie

2. les galaxies

3. matière noire et énergie sombre

4. novas et supernovas

5. Sagittarius A, le trou noir central de la Galaxie

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mise à jour : 19 mars 2023

   Les observations de notre Univers à partir de notre petite planète ont une limite : celle de nos instruments. Il est, par exemple, rigoureusement impossible d’observer (du moins avec nos outils actuels) au-delà de l’horizon indépassable de 380 000 ans après le Big bang, date d’apparition de la lumière.

   Néanmoins, les progrès dans l’observation des confins de l’Univers ont été foudroyants ces quelques dernières années, notamment grâce au télescope spatial Hubble, à présent d’ailleurs presque exclusivement consacré à l’études des horizons lointains : nous l’avons déjà évoqué en 2010 (voir : les premières galaxies) et il s’agissait alors de ce que l’on appelait le Hubble Deep Field. Depuis, les observations se sont encore affinées, notamment grâce à des artifices techniques que nous évoquerons, et on parle à présent du « Hubble Frontier Fields » : les « espaces profonds » étudiés il y a cinq ans sont devenus les « espaces frontières »  !

Le télescope Hubble est toujours là  !

   Lorsqu’il fut lancé au début des années 1990, Hubble fut une considérable avancée : bien que l’engin soit équipé d’un relatif

petit miroir (2,40 m tout de même), sa position dans un espace dénué de la moindre turbulence, permit d’obtenir des images que les plus impétueux des astronomes n’auraient jamais imaginé contempler. Les découvertes s’enchaînèrent et, oui, on peut dire qu’il y a eu un avant et un après Hubble (voir le sujet : le télescope spatial Hubble).

   Les années passèrent et, peu à peu, l’avance technologique considérable que représentait le télescope spatial fut rattrapée par les télescopes construits sur Terre. Les contraintes de la technologie spatiale obligeant à n’emporter dans l’espace que des instruments de taille modeste, il est, de ce fait, impossible de rivaliser avec les télescopes terriens géants qui sont de véritables laboratoires qu’on peut même parfois relier entre eux.

Et voilà que le seul vrai avantage qui restait à Hubble , l’observation dans un milieu sans turbulences, a été anéanti il y a quelques années par l’informatique embarquée sur ses rivaux à Terre, capable de corriger les turbulences de l’air en temps réel… En conséquence, les scientifiques ont orienté l’activité de Hubble sur des travaux où il reste encore le plus performant : l’observation des confins de l’Univers visible d’où l’aventure du Hubble Frontier Fields.

L’observation des champs célestes profonds

   Dans l’espace, bien qu’aucune turbulence ne vienne troubler l’observation et que le noir profond du cosmos soit ici un élément majeur, il n’en reste pas moins qu’il est difficile de capter l’image d’astres si lointains et dont la lumière est si faible que l’observateur ne reçoit que quelques rares photons. Chaque photographe amateur le sait : lorsque la lumière est vraiment faible, un moyen d’obtenir quand même une bonne image est d’augmenter le temps de pose. Et c’est bien ce que les scientifiques ont demandé à Hubble : des temps de pose si longs qu’il peuvent atteindre jusqu’à… six semaines  ! Seul Hubble est capable d’une telle prouesse accompagnée d’un vrai résultat. Mais ce n’est pas tout.

   Le programme Hubble Frontier Fields consiste donc en l’observation à long temps de pose de six amas de galaxies lointains. Toutefois, les scientifiques de le NASA ont eu recours à un autre artifice bien spécial pour augmenter la précision des images : l’utilisation d’une loupe gravitationnelle naturelle.

   Une lentille (ou loupe) gravitationnelle est un phénomène naturel parfaitement prévu par la théorie de la relativité générale. L’idée en est la suivante : lorsqu’une masse très

importante se trouve concentrée en un endroit précis de l’espace, elle déforme celui-ci en le courbant. Tout objet

est susceptible d’obtenir ce résultat, le Soleil par exemple, mais pour que cela soit suffisamment perceptible, il faut bien sûr un objet massif. Suivant l’importance de l’objet, presque toujours un amas de galaxies, la courbure de l’espace sera plus ou moins importante et la lentille gravitationnelle efficace; il faut donc choisir des masses énormes (plusieurs millions de milliards de masses solaires), seules à même de permettre un grossissement de 10 voire 50 fois des images. Dans le cas du Hubble Frontier Fields, il ne s’agit, bien sûr, que d’étudier un minuscule endroit très particulier de l’Univers, celui où se trouve une lentille gravitationnelle, mais cela permet au miroir de Hubble de voir son diamètre multiplié virtuellement jusqu’à 20 fois  !

   Bien entendu, les images obtenues devront être retravaillées car leur aspect primitif est celui d’objets fortement déformés voire multipliés par la loupe, un peu comme la vision d’une pièce d’habitation qu’on regarderait à travers le fond d’une bouteille. Il n’empêche : l’amplification de la lumière par la loupe permet d’apercevoir des objets autrement totalement hors de portée du télescope. Cette « mission » Hubble Frontier Fields est prévue pour durer trois ans et ce sont les premières images étonnantes de ces espaces lointains qui sont actuellement diffusés par la NASA. Ajoutons qu’il est prévu de coupler Hubble à d’autres télescopes spatiaux tels Chandra (rayons X) et Spitzer (infrarouge) pour cerner mieux encore l’évolution de ces galaxies et notamment le rôle des trous noirs dans le phénomène.

D’extraordinaires images des confins de l’Univers

   Les scientifiques ont notamment choisi un groupe de plusieurs centaines de galaxies appelé Abell 2744 situé à environ 3,5 milliards d’années lumière de nous. La courbure de l’espace et du trajet de la lumière par cet ensemble agit, on vient de le voir, comme une espèce de lentille grossissante pour tout ce qui se trouve au-delà et c’est ainsi que Hubble a pu photographier près de 3000 galaxies situées jusqu’à 13,2 milliards d’années-lumière (dont l’image nous parvient donc comme elle l’était il y a 13,2 milliards d’années). L’Univers ayant, selon les plus récentes observation du satellite Planck, un âge de 13,8 milliards d’années, cela signifie que Hubble a pris des photos de galaxies telles qu’elles existaient seulement 600 millions d’années après le Big bang. En d’autres termes, Hubble a pu photographier certaines galaxies si anciennes qu’elle furent probablement les première à s’être créées.

   Les photos prises par Hubble de ces débuts sont tout à fait conformes à ce qu’en attendaient les astronomes ; à cette époque, l’Univers sortait à peine de la soupe brûlante du Big bang et on n’est donc pas étonné d’observer de petites galaxies, ultracompactes et donc très brillantes. Les étoiles qui les composent font partie des premières générations et leur halo bleuté y est dominant. Certaines d’entre elles sont probablement encore des étoiles primordiales.

   À titre d’illustration, citons la toute jeune galaxie Abell 2744 Y1 qui, bien que 30 fois plus petite que la Voie lactée, produit 10 fois plus d’étoiles qu’elle. Il est vrai que cette galaxie est vue comme elle se présentait il y a 13,2 milliards d’années et que son image actuelle doit être bien différente…

L’étude n’en est qu’à ses débuts

   Le projet Hubble Frontier Fields n’en est qu’à son début puisqu’il va se poursuivre plusieurs années encore. Pour le moment, comme on l’a déjà dit, Hubble s’est essentiellement occupé de l’un des six amas à étudier, à savoir Abell 2744, mais les autres sont prévus dans les mois à venir et ils apporteront certainement des surprises car, outre l’étude de la structure de l’Univers à ses débuts et l’aspect des premières galaxies, d’autres observations sont prévues comme, par exemple, l’étude de la répartition de la matière noire dont la NASA vient de communiquer les premières photos.

   Cette étude concerne en l’occurrence un autre amas de galaxies sobrement intitulé MACSJ0416.1-2403.

Il s’agit du deuxième amas dont l’étude est prévue dans le projet et, lui aussi, est gigantesque puisqu’il « pèse » 160 000 milliards de fois plus que le Soleil. Ici également, c’est le principe de lentille gravitationnelle qui a permis de tracer la carte de la matière noire de cet ensemble… D’après les spécialistes, c’est la première fois que l’on obtient des mesures aussi précises sur ce sujet (voir photo ci-jointe).

   Pour les puristes, précisons que les quatre derniers amas à étudier sont respectivement : MACS J0717.5+3745 ; MACS J1149.5+2223 ; Abell S1063 et Abell 370. C’est dire qu’on peut s’attendre à de nouveaux superbes clichés de ces espaces lointains.

   Le projet Hubble Frontier Fields paraît particulièrement digne d’intérêt pour plusieurs raisons. D’abord parce qu’il nous donne des illustrations d’objets et d’endroits qui sont à la toute extrême limite de ce que l’Homme peut observer. Ces contrées situées à plus de 13 milliards d’années-lumière de nous, n’existent certainement plus en l’état puisque l’image qu’on en voit aujourd’hui date de plus de 13 milliards d’années, une durée que l’esprit humain est par ailleurs incapable d’intégrer vraiment. C’est la raison pour laquelle ces images sont si précieuses puisqu’elles nous montrent un Univers au temps de sa toute jeunesse. Un moyen donc de peut-être pouvoir comprendre comment tout a commencé. Ajoutons que, en raison de l’expansion de l’Univers, ces espaces-frontière s’éloignent de nous à une vitesse de plus en plus grande et que, plus le temps passe, moins ils seront accessibles à l’observation. Si l’expansion de l’Univers ne s’inverse pas, dans quelques millions d’années ne seront plus visibles que les quelques galaxies de notre groupe local et les lointains observateurs de ce temps-là n’auront plus aucun moyen de comprendre la structure de l’Univers…

   Une autre raison pour s’intéresser à ce projet de la NASA est de constater que l’intelligence humaine est parfois remarquable. En effet, alors que les plus puissants instruments que nous avons en notre possession ont montré leurs limites, les scientifiques arrivent encore à faire progresser leurs capacités d’observation en utilisant certains artifices naturels, comme ici la courbure de l’espace démontrée jadis par Einstein, moyen élégant de contourner certaines  limites physiques.

   On attend la suite avec impatience  !

N.B. (avril 2023) : cet article a été rédigé il y a quelques années et, on le sait, l'évolution scientifique est parfois ultra-rapide. Sans rien enlever à ce qui a été écrit pour Hubble, il convient de préciser que le lancement fin 2021 du télescope spatial James Webb (qui officie dans l'infrarouge et peut ainsi "percer" nombre d'obstacles de poussière et de gaz) a rebattu les cartes : ses premières images sont remarquables, tout comme son étude des champs profonds qui vient compléter ce que Hubble nous avait déjà montré. On comprend ainsi que les deux instruments sont complémentaires et, comme cela est écrit plus haut, on attend donc la suite avec impatience !

Sources :

1. Wikipedia France

. Science et Vie (www.scienceetvie.com)

3. übergizmo (fr.ubergizmo.com)

4. observatoire Midi-Pyrénées (www.obs-mip.fr)

5. laboratoire d’astrophysique de Marseille (www.lam.fr/)

6. www.gurumed.org

7. Mikulski Archives For Space Telescopes (https:archive.stsci.edu/)

Images :

1. l’amas Abell 2744 du projet HubbleFrontier Fields (sources : www.nasa.gov)

2. télescope spatial Hubble (sources : hubblesite.org)

3. télescope européen E-ELT (sources : irfu.cea.fr)

4. lentille gravitationnelle (sources : Wikipedia-France)

5. l'amas Abell 2744 (sources : www.gurumed.org)

6. matière noire dans l'amas MACSJ0416.1-2403 (sources : www.lam.fr)

(pour lire les légendes des illustrations, passer le curseur de la souris dessus)

Mots-clés : Hubble Deep Field (en anglais) - Hubble Frontier Fields - loupe gravitationnelle - télescope Chandra - télescope Spitzer - matière noire

(les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog

1. le télescope spatial Hubble

2. les premières galaxies

3. juste après le Big bang

4. les étoiles primordiales

5. l'expansion de l'Univers

6. les galaxies

7. premières photos du télescope spatial James Webb

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mise à jour : 19 mars 2023

   Le modèle qui explique le mieux ce que nous savons de notre Univers et de sa formation est appelé « modèle standard ». Il repose au départ sur l’hypothèse d’une singularité appelée Big bang où toute la matière est contenue dans un très petit volume qui brutalement s’agrandit en créant l’espace au fur et à mesure de son expansion pour aboutir à l’Univers que nous pouvons à présent observer, les étoiles, les galaxies, etc. Toutefois, la théorie n’est pas parfaite et même si, nos outils évoluant, nombre de ses implications ont pu être validées par l’observation, il reste des points noirs, des interrogations et des lacunes. Ces anomalies, ces bizarreries qui ne « collent » pas avec le modèle sont-elles susceptibles de le remettre en cause ou bien sont-elles seulement la preuve que nous ne disposons pas encore de toutes les données ? Doit-on tout reprendre à zéro ou simplement nous armer de patience, le temps finissant par nous apporter les réponses indispensables ? Il est passionnant de se poser de telles questions mais, bien sûr,  seulement après avoir précisé ce que sont les plus importantes de ces anomalies.

Des étrangetés qui interpellent

   Après la découverte par Penzias et Wilson en 1964 du fond diffus cosmologique, la théorie du noyau originel, plus connue sous le nom de Big bang, s’imposa chez les scientifiques comme étant l’explication la plus vraisemblable de la formation de notre Univers, même s’il fallut par la suite introduire la notion « d’inflation » (accélération subite de l’expansion de l’Univers à ses débuts) qui semble, d’ailleurs, avoir été récemment validée par l’observation. Toutefois, l’astronome Zwicky (qui « inventa » les supernovas) jeta un pavé dans la mare dès les années 1930 en expliquant que les rotations des galaxies étaient beaucoup plus rapides que ne le prévoyait la théorie du Big bang ce qui fut confirmé bien plus tard par la communauté scientifique. La vitesse anormale de la rotation des galaxies n’est toutefois pas, comme on va le voir, la seule interrogation que les astronomes se posent à propos de ces structures : leur aspect, leur disposition et même leur composition interpellent aussi. Intéressons-nous d’abord à la question qui passionna Zwicky.

La trop grande vitesse de rotation des galaxies

   Comme on vient de le voir, c’est donc le Suisse Fritz Zwicky (1898-1974) qui souleva le problème de la vitesse de rotation des galaxies (il avait constaté l’anomalie dès 1933 et, à cette époque, avait émis l’hypothèse d’une matière intersidérale invisible pour l’expliquer). Il ne fut bien sûr pas écouté et c’est seulement dans

les années 1970 que l’Américaine Vera Rubin s’intéressa au problème et démontra que Zwicky avait raison : les étoiles en périphérie des galaxies ont une vitesse de rotation bien plus importante que ne le prévoit le modèle. L’explication pourrait en être la présence d’une matière « invisible » d’une masse pouvant aller jusqu’à 5 à 6 fois celle de la galaxie considérée. De ce fait, les étoiles observées ne se trouveraient alors plus en périphérie de la galaxie puisqu’entourées par de la matière invisible mais beaucoup plus proches du centre de l’ensemble ce que l’on ne peut évidemment pas voir en observation directe. Et voilà pourquoi ces étoiles tourneraient plus vite que prévu ! En 2008, les calculs furent affinés et ils ne souffrent aucune discussion : il y a bien anomalie puisque, alors que la théorie avance une vitesse de rotation maximale de 100 km/s, l’observation nous dit 3 fois plus (300 km/s environ). L’explication ? Le résultat de la présence de cette matière invisible, vite appelée matière noire.

   Problème : personne n’a jamais vu cette matière noire, ni même ne sait à quoi elle pourrait bien ressembler. On l’a introduite dans les calculs pour les valider, un point c’est tout. Pour un modèle « standard », cela ne fait pas tout à fait sérieux…

L’énigme des pulsars manquants

   Comme cela a déjà été expliqué dans le sujet dédié (mort d'une étoile), une étoile à neutrons est le stade ultime de la mort des grosses étoiles (celles faisant plus de 8 fois la masse du Soleil) après qu’elles se soient d’abord transformées en supernovas (certaines de ces étoiles, encore plus grosses, se transforment même directement en trous noirs). Une étoile à neutrons est toute petite : quelques dizaines de km de diamètre mais la matière y est hyperconcentrée (on dit que le poids de la tour Eiffel y tiendrait dans quelques grains de poussière). Beaucoup d’entre elles sont dotées d’un champ magnétique intense et, comme ces restes d’étoiles tournent rapidement sur eux-mêmes, leurs champs magnétiques peuvent être captés, à la manière de « phares » cosmiques, sous la forme de très brèves impulsions : on parle alors de pulsars. On comprend aisément que, si le rayonnement magnétique d’un pulsar est aligné sur le récepteur, à savoir la Terre, il est assez facile de l’identifier.