Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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58 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers Figure 1. Comparaison de la répartition des composantes énergétiques de l’Univers (à gauche) et des galaxies en types morphologiques (à droite). Le parallèle est frappant mais rien ne permet à l'heure actuelle d'y voir autre chose qu'une coïncidence. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 Univers énergie noire 72% matière noire 24% Énergie noire, « composante rouge » et autres énigmes Il semble aujourd’hui qu'environ 72% du contenu énergétique de l’Univers soit de nature encore inconnue (figure 1). Cette énergie noire accélère l’expansion de l’Univers et empêche la formation de nouveaux amas de galaxies. À plus petite échelle, dans les galaxies, on constate que dans près de 74% des galaxies (proportion en masse) un mécanisme a empêché l'apparition de nouvelles étoiles. Ces galaxies elliptiques ou bulbes de galaxies ont une couleur rouge car leurs étoiles sont vieilles et froides. Si la question de la nature de l’énergie noire est devenue l’un des enjeux majeurs de l’astrophysique, il en est de même pour la quête du mécanisme qui a provoqué la mort prématurée des galaxies rouges. Autre énigme : sur les 4% de matière baryonique (3), c’est-à-dire d’atomes, qui participent au contenu énergétique de l’Univers, seul un dixième (donc 0,4% du total) appartient à des étoiles. La formation d’étoiles dans les galaxies a donc été un processus remarquablement inefficace. Pourquoi la plupart (90%) de la matière baryonique est-elle restée sous la forme de gaz ? Pourquoi ce gaz, pourtant supposé être attiré par les galaxies, ne tombe-t-il pas dans les sphéroïdes (voir La morphogenèse des galaxies, p.60) pour y faire naître de nouvelles étoiles ? Matière noire et formation des galaxies Une galaxie est globalement une structure constituée de gaz, d’étoiles et d’un halo de matière noire. La matière noire produit l’effet inverse de celui de l’énergie noire. Elle accélère la formation des structures dans l’Univers. Elle peut être considérée comme un bol dans lequel la soupe de matière baryonique est maintenue bien au chaud. Elle-même ne rayonne pas, mais elle participe à la croissance des structures par l’effet de sa force gravitationnelle. Sans elle, nous ne saurions pas expliquer l’origine des galaxies, car la quantité de matière standard n’est pas suffisante pour décrire la formation des galaxies. Encore aujourd’hui, près de 24% de la matière contenue dans les disques de galaxies continue de donner naissance à des étoiles. Ces régions se distinguent par leur couleur bleue qui indique la présence galaxies étoiles 0,4% LIRGs atomes 4% irrégulières 2% sphéroïdes 74% disques 24% d’étoiles jeunes, massives et chaudes, par opposition aux galaxies elliptiques, composées uniquement d’étoiles vieilles et froides. La répartition de la matière dans les galaxies en composantes bleue (disques, 24%) et rouge (sphéroïdes, 74%) rappelle celle à plus grande échelle observée dans l’Univers entre matière noire (24%) et énergie noire (72%) (figure 1). Il ne s’agit que d’une analogie quantitative, sans lien physique, mais elle rappelle aussi qu’aux deux échelles, l’Univers semble aujourd’hui dominé par des forces qui s’opposent à la formation de nouvelles générations d’étoiles. Des étoiles à profusion Une minorité de galaxies présente une morphologie moins tranchée que les autres : les galaxies irrégulières. Les Nuages de Magellan, tout proches de la Voie lactée, en sont un bon exemple. Il existe une composante encore plus minoritaire, mais particulièrement intéressante pour les astrophysiciens : les « galaxies lumineuses dans l’infrarouge » ou LIRGs. Alors que la très grande majorité des galaxies de l’Univers local génère des étoiles à raison de quelques soleils par an, voire moins, les LIRGs vivent des « flambées de formation d’étoiles », engendrant plusieurs dizaines voire centaines de masses solaires par an. Il a fallu observer le ciel dans l’infrarouge lointain pour découvrir ces flambées de formation d’étoiles restées invisibles jusqu’alors. En effet, les étoiles massives ne vivent pas assez longtemps pour sortir du nuage moléculaire géant qui leur a donné naissance, et leur lumière visible et ultraviolette est absorbée par la poussière du nuage. Cette dernière, chauffée, rayonne à son tour dans l’infrarouge lointain (4). Le (3) Matière baryonique : le terme « baryon » vient du grec barys qui signifie « lourd ». Théoriquement ce terme désigne les particules lourdes, principalement les protons et les neutrons, mais il est utilisé en cosmologie pour désigner la matière standard – qui comporte les protons et les neutrons (constituants des noyaux atomiques), mais aussi les électrons - donc les atomes d’une manière générale. On la distingue de la matière « non baryonique », principale composante (supposée) de la matière noire. Les particules non baryoniques restent à découvrir. Elles ne seraient sensibles qu'à l’interaction gravitationnelle, ce qui expliquerait pourquoi elles n’obéissent pas à la même physique que les particules baryoniques et donc ne rayonnent pas de lumière.
NASA Figure 2. Le fond diffus infrarouge mesuré par le satellite de la NASA COBE (à gauche) et sa résolution en galaxies individuelles par le satellite de l’ESA ISO (à droite). satellite infrarouge américain IRAS (InfraRed Astronomical Satellite, 1985, miroir de 57 cm de diamètre) a donc découvert les LIRGs, qui seraient probablement restées anecdotiques sans l’envoi par l’ESA du satellite ISO (Infrared Space Observatory, 1995, miroir de 60 cm) avec à son bord la caméra ISOCAM, réalisée sous la maîtrise d’œuvre du CEA. À la fin des années 1990, une équipe française de l’Institut d’astrophysique spatiale (à Orsay) découvrait, grâce au satellite américain COBE (COsmic Background Explorer), l’existence d’un fond de lumière en infrarouge lointain, différent du fond diffus cosmologique. Il résultait sans doute de l’accumulation de la lumière rayonnée par la poussière, chauffée par les étoiles massives sur toute l’histoire de l’Univers. De façon quasi simultanée, une équipe française du CEA identifiait les galaxies individuelles ayant produit ce fond diffus, grâce à la caméra ISOCAM. Les astrophysiciens venaient ainsi de découvrir que les LIRGs, anecdotiques dans l’Univers local, ont en fait joué un rôle majeur dans le passé (figure 2). Ce résultat a été récemment confirmé avec le satellite de la NASA Spitzer (2004, miroir de 85 cm) et les scientifiques savent aujourd’hui que dans le passé, les galaxies formaient des étoiles à des taux faramineux, pouvant atteindre le millier de masses solaires par an. Encore une contradiction En combinant ces observations à celle des mesures des distances des galaxies grâce à leur décalage spectral (voir À la recherche des grands ancêtres, p.52), il devenait possible de remonter le cours de l’histoire de la formation d’étoiles dans les galaxies (figure 3). Les données en infrarouge montrent qu’après avoir augmenté pendant le premier quart de l’âge de l’Univers (1), le taux annuel de formation d’étoiles a ensuite brusquement chuté. Cette mesure s’accorde parfaitement avec celle de la proportion d’étoiles nées au cours du temps, obtenue en mesurant la masse totale d’étoiles dans les galaxies de différentes époques. Ces deux manières d’appréhender le même (4) Par ailleurs, une étoile dix fois plus massive que le Soleil rayonne 10 000 fois plus que lui et, du coup, termine son existence 10 000 fois plus tôt. C’est pourquoi la mesure de l’activité de formation d’étoiles des galaxies repose sur celle de leur quantité d’étoiles massives, puisque la durée de vie de ces dernières est si courte (quelques dizaines de millions d’années) que lorsque les astronomes en observent, ils savent qu’elles sont nées depuis peu de temps. phénomène suggèrent que la proportion d’étoiles créées au cours du temps est pratiquement égale à la fraction de l’âge de l’Univers. Or, il a été montré par ailleurs que le rôle des LIRGs a été dominant au cours de la majorité de l’histoire de l’Univers – ce qui reflète a b masse d'étoiles/an/volume% étoiles formées 0,1 0,01 0,001 100 0 Figure 3. La courbe du haut montre l’intensité de la formation des étoiles dans l’Univers au cours du temps. Elle se mesure en masse d’étoiles (en unité de masses solaires) formée par année dans un volume donné (ici des « boîtes » de 3 millions d’années-lumière de côté). Cette intensité était maximale quand l’Univers avait près de 30% de son âge actuel (axe horizontal du haut). La figure du bas retrace la proportion d’étoiles nées au cours du temps dans l’Univers (par rapport à la quantité d’étoiles actuelle). Cette quantité peut être calculée soit à partir de la figure du haut, soit par des observations directes, en additionnant la masse d’étoiles contenue dans les galaxies lointaines de l’Univers. Les deux méthodes donnent le même résultat. ESA% âge de l’Univers 100 43 24 16 11 8 1 10 1 0 1 1 2 3 4 5 décalage spectral% âge de l’Univers 100 43 24 16 11 8 57% 32% 17% 9% 2 3 4 5 décalage spectral CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 59



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