AU COEUR DE LA NÉBULEUSE D’ORION

C’est l’un des astres les plus observés. Visible à l’œil nu, comme une minuscule étoile floue, étudiée à la lunette près de quatre siècles durant et photographiée depuis… 1880, la nébuleuse d’Orion a été observée des millions de fois, par les astronomes amateurs et professionnels, partout sur Terre et même depuis l’espace. Partout sur Terre ? Oui, la nébuleuse se trouve pratiquement sur l’équateur céleste, et elle est donc visible depuis les deux hémisphères… La nébuleuse d’Orion est le cœur d’un gigantesque complexe gazeux flottant dans le disque spiral de notre galaxie, la Voie lactée. Si sa région centrale, appelée M 42, est célébrissime, en réalité les nuées de gaz et de poussières interstellaire de ce vaste ensemble s’étendent sur l’ensemble de la constellation d’Orion… La nébuleuse M 42, située à environ 1500 années-lumière de la Terre, est l’une des régions galactiques les plus jeunes que nous connaissions : des milliers d’étoiles et de systèmes planétaires se forment actuellement dans ses volutes gazeuses.

La masse de cette grande nuée interstellaire est extraordinaire : elle dépasse mille milliards de milliards de milliards de tonnes, soit l’équivalent de plusieurs centaines de soleils… Pourtant, tout comme l’espace qu’elle semble combler, la nébuleuse est essentiellement vide : en moyenne, elle ne compte que quelques centaines d’atomes par centimètre cube. C’est l’accumulation de ce gaz, pourtant incroyablement ténu, sur des dizaines d’années-lumière, qui donne l’impression trompeuse que ce milieu est dense, épais, comme le brouillard d’une matinée d’hiver.

Trompeuse, sa densité apparente, trompeuse, sa couleur… Sur les images prises par des télescopes optiques, sensibles à la lumière dite visible, c’est à dire à celle que nos yeux perçoivent, la nébuleuse semble rouge. Cette couleur, c’est celle de l’hydrogène ionisé, l’un des constituants principaux de la nébuleuse. Mais si l’on a la chance d’observer visuellement la nébuleuse dans un grand télescope, sous un ciel très pur, la nébuleuse apparaît verte phosphorescente… C’est que l’œil, la nuit, est peu sensible au rouge, et très sensible au vert. Cette couleur verte, d’une beauté saisissante, de M 42, c’est celle de l’oxygène ionisé.
Si la nébuleuse d’Oriona été photographiée par tous les plus puissants télescopes du monde, comme Hubble et Vista, par exemple, (voir image ci-dessus), elle n’a pas fini de surprendre les astronomes… La stupéfiante image qui ouvre cet article est une brillante illustration de la richesse et de la complexité cachées de la nébuleuse, que nous n’avons pas fini d’explorer…


Ces féeriques volutes qui se déploient dans M 42, ce sont les « Orion Bullets » photographiés en infrarouge par le télescope géant Gemini South, installé au sommet du Cerro Pachon, dans la cordillère des Andes chiliennes. Ces structures sont fascinantes parce que, situées pourtant au cœur même de la nébuleuse, elles sont parfaitement invisibles, même pour le regard acéré du télescope spatial, et ne se dévoilent qu’aux instruments sensibles à l’infrarouge. De fait, cette splendide image a été réalisée par le télescope de 8,2 m de diamètre, dotée de la toute nouvelle optique adaptative GeMS(Gemini Multi-Conjugate Adaptative Optics System). GeMS, en grande partie conçu par deux chercheurs Français, François Rigaut et Benoît Neichel, est capable de corriger les effets de la turbulence atmosphérique, qui dégrade les images des grands télescopes et les rendent floues. Ce nouvel instrument offre désormais aux astronomes des image d’une netteté littéralement « spatiale ». Il s’agit d’un système opto-électronique comptant cinq lasers, trois petits miroirs déformables et une puissante unité de calcul.


Pour obtenir cette image des « Orion Bullets », Gemini South a donc été orienté vers la nébuleuse d’Orion… Une fois le champ d’observation pointé, il a fallu aux astronomes trouver trois étoiles « guides », étoiles servant de référence à GeMS : quand le système n’est pas activé, les étoiles, floues, semblent « bouillir » et « danser » au gré de la turbulence atmosphérique. Mais ce n’est pas tout : cinq lasers, associés au télescope, ont été ensuite allumés, afin de dessiner, à cent kilomètres d’altitude, dans les dernières couches atmosphériques, cinq étoiles artificielles. Enfin, GeMS a été mis en route… Le puissant ordinateur d’asservissement de l’optique adaptative a alors, en temps réel (en réalité mille fois par seconde), étudié l’image des trois étoiles observées dans le champ d’Orion, plus les cinq étoiles artificielles générées par les lasers, l’ensemble synthétisant une sorte de « tomographie 3D » de l’atmosphère pendant l’observation… Pour corriger les effets de cette turbulence, les trois miroirs souples de GeMS se sont ensuite, mille fois par seconde, déformés au gré de la turbulence pour la corriger. La photographie infrarouge, en fausses couleurs, « des Orion Bullets », a nécessité une demie heure de pose, ce qui a exigé de « figer » l’atmosphère environ deux millions de fois…

La résolution de cette image – sa netteté – dépasse 0,1 seconde d’arc, à deux micromètres de longueur d’onde. A la distance de la nébuleuse d’Orion, cela correspond à sept milliards de kilomètres. Limité par son diamètre de 2,4 m, le télescope spatial Hubble, dans l’infrarouge, ne pourrait pas faire mieux… L’équipe de John Bally, Adam Ginsberg, Rodrigo Carrasco et Travis Rector, qui a réalisé cet exploit technique, a même réussi à discerner le mouvement propres des « Bullets » dans le ciel, en comparant des images prises en 2007 et 2012. Ces structures sont des « projectiles » de gaz, portés à une température de 5000 °C et expulsés par des étoiles supergéantes en formation, difficiles à identifier aujourd’hui car peut-être cachées par les nuées de gaz et de poussières du cœur de M 42. Une chose est sûre, ces projectiles proviennent du coeur même de la nébuleuse, de la région dite du Trapèze d’Orion. La dimension de ces « bulles », qui apparaissent comme de petits globules bleus sur cette image, est en réalité immense : 50 milliards de kilomètres environ ! Les chercheurs supposent que ces globules de matière chaude ont été émis voici seulement mille ans ; ils se propagent à 400 km/s dans l’espace – dix fois plus vite qu’une sonde spatiale ultrarapide – et percent littéralement la nébuleuse qu’elles traversent, laissant derrière eux des tubes de gaz chauds et turbulents, que l’on voit ici sous la forme d’immenses cônes de couleur orangée, s’étendant sur près de deux mille milliards de kilomètres, soit deux mois-lumière…
Mais plus encore que l’intérêt scientifique de cette observation, c’est la maîtrise technique qu’elle démontre qui est impressionnante. En réalité, avec leur nouvelle optique adaptative, les chercheurs du télescope Gemini South testent les techniques qui seront nécessaires à l’emploi du futur télescope de 30 m de diamètre TMT. La réaction des astronomes européens ne devrait pas tarder à venir : de leur côté, ils vont tester en grandeur réelle ou presque les techniques de leur futur télescope de 39 m E-ELT sur l’un des télescopes de 8,2 m du réseau VLT.

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MATIÈRE NOIRE ET ÉNERGIE SOMBRE : QUE VA NOUS APPRENDRE EUCLID ?

La découverte de l'accélération de l'expansion de l'Univers conduit les cosmologistes à postuler l'existence d'une énergie noire qui serait la composante dominante du contenu en matière-énergie de l'Univers actuel. Ainsi, 95% de l'Univers seraient constitués de matière noire et d'énergie noire dont les natures nous sont totalement inconnues. Elles présentent pour les physiciens des enjeux passionnants, d'où pourrait voir naître une nouvelle physique fondamentale autour de ces deux composantes. La mission spatiale de l'ESA Euclid a été sélectionnée par l'Agence Spatiale Européenne pour apporter des réponses concernant la vraie nature de l'Univers noir et révéler la physique nouvelle sous-jacente. Au cours de cette conférence, je présenterai les enjeux scientifiques et techniques de cette mission de haute précision particulièrement complexe, et ce qu'elle devrait nous apprendre sur la matière noire, l'énergie noire, l'histoire de l'Univers et son devenir.

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Le nombre estimé de planètes "habitables" dans notre galaxie devient vertigineux

En juin 2014, une équipe internationale de chercheurs estimait, à partir d'un "indice de complexité biologique" qu'il existait dans notre galaxie environ 100 millions de planètes potentiellement habitables.


Les nouveaux calculs tablent désormais sur un chiffre 1000 fois plus élevé que cette précédente estimation, puisque les chercheurs de l'Australian National University (ANU) estiment désormais que les planètes "habitables" de notre galaxie pourrait désormais se compter en centaines de milliards.
Pour obtenir cet ordre de grandeur, les chercheurs se basent sur plusieurs éléments. Le premier est le nombre toujours plus important de planètes au delà de notre système solaire, en orbite autour d'autres étoiles. Le télescope spatial a en effet fêté en janvier 2015 la découverte de sa millième exoplanète. Ils constatent ensuite que les observations du télescope spatial Kepler comportent un biais puisque le télescope est particulièrement performant lorsqu'il s'agit de repérer les planètes relativement proches de leur étoile, mais l'est moins pour débusquer celles, plus nombreuses, qui gravitent un peu plus loin. Et notamment celles situées dans la zone "habitable" de leur étoile, c'est à dire une zone dans laquelle la quantité d'énergie reçue par la planète permet à l'eau d'exister sous forme liquide. De ce fait, l'équipe considère que le nombre d'exoplanètes estimé dans notre galaxie est bien plus important que ce que supposaient les études précédentes.
Enfin, ils basent une partie de leurs travaux sur la "loi de Titus-Bode". Une loi empirique uniquement basée sur l'observation et qui permet de prédire approximativement à quelle distance du soleil se calent chacune des orbites des planètes qui composent un système solaire. Une loi qui ne correspond à aucune théorie et qui ne peut être démontrée mathématiquement, mais qui a tout de même une valeur prédictive. Par exemple, elle a permis de déduire la période d'Uranus, ainsi que pour découvrir la planète naine Cérès, rappellent les chercheurs.
Dans leurs travaux publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, ces derniers expliquent être partis d'un échantillon de systèmes planétaires découverts par Kepler, contenant au moins 3 planètes (soit 151 systèmes). Les mesures réalisées au sein de cet échantillon ont été extrapolées grâce à la loi de Titus-Bode de manière prédire la période de 228 planètes supplémentaires et de déduire, de manière statistique, qu'il se trouve, autour de chaque étoile, en moyenne deux planètes situées dans la zone habitable.

Dans notre système solaire, la Terre est située dans une telle zone et reçoit environ 1000 Watts par mètre carré d'énergie rayonnée par le soleil. Si l'on s'approche du soleil et que l'on dépasse Vénus, la quantité d'énergie reçue est trop importante et l'eau se vaporise. Si on s'en éloigne et que l'on dépasse Mars, alors l'eau n'existe plus que sous forme de glace. Or, seule l'eau liquide permet à la vie d'exister sous la forme que nous lui connaissons.

Ces conditions physico-chimiques sont un préalable indispensable à l'émergence de la vie. Toutefois, ce n'est pas parce qu'une planète répond à ces critères qu'elle abrite pour autant une vie extraterrestre.
"L'Univers n'est pas forcément rempli d'alien avec une intelligence semblable à la nôtre, capable de construire des radiotélescopes ou des vaisseaux spatiaux analyse Charley Lineweaver, l'un des auteurs de la publication. Si tel était le cas, nous aurions sans doute eu vent de leur existence. Il est possible qu'il y ait d'autres goulets d'étranglement à l'émergence de la vie, à moins que ces civilisations intelligentes n'aient évolué puis disparu" commente-t-il dans un article d'analyse.

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Paris, 4 septembre 2013

La faible luminosité du trou noir super-massif de notre galaxie enfin expliquée

Comment les trous noirs super-massifs peuvent-ils capturer de la matière sans émettre beaucoup de rayonnement ? Grâce à un programme sans précédent d'observations en rayons X de Sagittarius A étoile (Sgr A*), le trou noir super-massif au centre de notre galaxie, une collaboration internationale à laquelle participent des chercheurs de l'Observatoire astronomique de Strasbourg (CNRS/Université de Strasbourg) apporte aujourd'hui une explication : leurs travaux ont démontré que les rayons X émis dans le voisinage de ce trou noir ne proviennent pas de couronnes d'étoiles actives mais principalement d'un gaz, trop chaud pour être capturé efficacement. Ces résultats sont parus dans l'édition du 30 août 2013 de la revue Science.
Les galaxies de taille normale, comme notre Voie lactée, abritent en leur centre un trou noir super-massif d'une masse de quelques millions à quelques milliards de fois celle du Soleil. Le noyau de certaines de ces galaxies peut être plus lumineux que toutes les étoiles de la galaxie, grâce au champ de gravité intense du trou noir super-massif qui capture la matière dans son voisinage, et libère une quantité phénoménale d'énergie gravitationnelle. Cependant, pour une raison indéterminée jusqu'ici, la plupart des noyaux de galaxies dans l'Univers local sont peu voire pas actifs, alors que la quantité de matière autour de leur trou noir super-massif central semble suffisante pour les rendre beaucoup plus lumineux.
 
Ainsi, au centre de la Voie Lactée, à 26000 années-lumière de la Terre, le trou noir super-massif Sgr A* est seulement une centaine de fois plus lumineux que le Soleil, alors qu'il est quatre millions de fois plus massif. Une fois par jour en moyenne, Sgr A* produit des éruptions en rayons X : sa luminosité peut alors augmenter de 160 fois en quelques dizaines de minutes1.

Une équipe internationale s'est concentrée sur l'étude de la matière capturée et/ou éjectée par Sgr A* à la fois à l'état de repos comme lors de ses éruptions. Pour ce faire, elle a analysé les images et spectres en rayons X de Sgr A* d'une résolution et d'une sensibilité sans précédent,  obtenues en 2012 grâce à une observation en rayons X avec le satellite Chandra de la NASA2 et son réseau par transmission à hautes énergies durant 35 jours cumulés.


Les images obtenues ont permis de distinguer deux composantes autour de Sgr A*: une émission ponctuelle variable, provenant des éruptions de Sgr A* et une émission étendue constante, avec une élongation compatible avec le disque d'étoiles massives en orbite autour de Sgr A*, dont les vents alimentent en gaz ce trou noir super-massif.

Les spectres de cette émission étendue ont permis de détecter clairement la raie Héliumoïde du fer à 6.7 keV, mais la raie Hydrogénoïde du fer à 7 keV et la raie du fer neutre ou faiblement ionisé à 6.4 keV ne sont pas visibles. "L'absence de cette raie du fer neutre ou faiblement ionisé permet de conclure que l'émission en rayons X ne provient pas des couronnes d'étoiles  actives comme une étude précédente l'avait proposé, mais bien du gaz capturé par le trou noir super-massif" commente Nicolas Grosso, de l'Observatoire astronomique de Strasbourg, l'un des chercheurs de cette équipe internationale. "Par contre, des raies d'émission d'autres éléments, comme le soufre, le calcium et l'argon, sont détectées ici pour la première fois : l'ensemble de ces raies d'émission en rayons X nous a permis de déduire la température, la densité, et la masse du gaz en fonction de sa distance au trou noir" explique Delphine Porquet, autre auteure de cet article.

Les caractéristiques du spectre en rayons X démontrent que le flot de gaz vers le trou noir super-massif ne peut pas exister sans une éjection massive de gaz. Le gaz est trop chaud pour être capturé efficacement par le trou noir : 99% du flot de gaz capturé à grande distance est finalement éjecté avant d'avoir pu atteindre la proximité du trou noir. Cela permet d'expliquer la faible luminosité de ce trou noir super-massif, et renforce les modèles de flots d'accrétion radiativement inefficaces.

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