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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82 L’astrophysique et l’exploration de l’Univers Les supernovae de type Ia, des chandelles standard Les supernovae de type Ia (SNIa), ob servées jusqu’à ce jour, montrent des propriétés spectrales et lumineuses très homogènes. D’où l’hypothèse qu’elles proviennent de l’explosion thermonucléaire d’une naine blanche, étoile en fin de vie, accrétant la matière d’une étoile compagne géante. Cette naine blanche gagne en masse jusqu’à approcher la limite dite de Chandrasekhar. La température interne de l’étoile s’élève alors suffisamment pour déclencher une combustion nucléaire explosive. À partir de là, les éléments situés au cœur de l’étoile (carbone et oxygène essentiellement) brûlent en donnant du 56 Ni. Cette com - bustion dégage une telle énergie que l’étoile finit par exploser. La désintégration ultérieure du 56 Ni en 56 Co, puis en 56 Fe, définit la luminosité de la supernova et la rend supernova 03D4dh (unités arbitraires) 8000 6000 4000 2000 0 CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 CF HT se ralentir. Pour le vérifier, les astrophysiciens ont observé le flux de supernovae de type Ia (SNIa), explosions d’étoiles en fin de vie, situées à plusieurs milliards d’années-lumière. Leur intérêt réside dans leur luminosité pratiquement reproductible (encadré 2). La mesure de leur flux apparent revient donc à mesurer la distance parcourue par les photons depuis l’explosion – distance qui dépend du contenu de l’Univers et de sa géométrie. Or, à la fin des années 1990, les premières observations de SNIa lointaines révèlent que leur flux apparent s’avère plus faible que prévu dans un Univers exclusivement composé de matière. La distance parcourue par les photons émis par les supernovae est donc plus importante que prévue. Pour les chercheurs, force est d’admettre qu’il existe dans l’Univers une composante énergétique capable d’accélérer l’expansion et qui ne soit ni matière ni rayonnement. Une telle 250 300 jours depuis le 01/01/2003 Figure 1. Courbe de lumière de la supernova 03D4dh mesurée par SNLS (le flux est exprimé en unités arbitraires). Les mesures sont effectuées, tous les 3 à 4 jours, en dehors des périodes de pleine lune dans quatre filtres distincts : bleu (ronds), vert (carrés), rouge (triangles pointe en haut) et proche infrarouge (triangles pointe en bas). Image du résidu de la supernova Ia, observée par Tycho Brahe, en 1572. Cette image combine des observations en rayonnementsX, infrarouge et optique. Le résidu de la supernova se présente comme un nuage chaud en expansion rapide, formé de nombreux débris (visibles en vert et jaune), à l’intérieur d’une coquille d’électrons de très haute énergie (en bleu) provenant de l’onde de choc extérieure provoquée par l’explosion. La poussière entourant le résidu (créée lors de l’explosion ou préexistante) émet dans l’infrarouge (visible en rouge sur le cliché). aussi brillante que plusieurs milliards de soleils, soit l’équivalent d’une petite galaxie. Comme la masse de l’étoile, et par suite la quantité de nickel produite, est pratiquement toujours la même lors de l’explosion, les SNIa présentent des luminosités similaires. On peut alors les utiliser comme des « chandelles standard » pour mesurer des distances, car leur flux apparent ne dépend que de la distance parcourue par les photons entre l’instant de l’explosion et celui de l’observation.composante a été prévue par les équations de la relativité générale d’Albert Einstein à la condition d’y ajouter une constante, dite « constante cosmologique ». D’autres descriptions existent et donnent à cette composante un contenu plus fondamental. En attendant de pouvoir trancher, cette composante a reçu le nom d’énergie noire. Sa densité représente trois quarts du contenu énergétique de l’Univers, contre un quart seulement pour la matière. Le relevé de supernovae par le CF HT Ce résultat étant inattendu, les chercheurs ont lancé de nouvelles études sur les SNIa lointaines dont l’expérience Supernova Legacy Survey (SNLS). De 2003 à 2008, grâce au télescope Canada-France-Hawaii, de 3,6 mètres de diamètre (situé à Hawaii), SNLS a détecté et mesuré un millier de SNIa, contre une cinquantaine dans les expériences antérieures. Ce résultat s’avère d’autant plus probant que les SNIa sont rares : à peine une explosion par siècle pour une galaxie comme la nôtre. Pour les déceler, SNLS a bénéficié de la caméra à grand champ MEGACAM, caméra CCD de 340 millions de pixels, conçue à l’Irfu. Instrument unique au monde, son champ de 1 degré carré (soit quatre fois la pleine Lune) permet d’observer, en une seule fois, de grandes portions du ciel, susceptibles de contenir jusqu’à une dizaine de supernovae. SNLS revenant constamment sur ces champs tant qu’ils sont observables, les détections peuvent se poursuivre toute l’année et les « candidates » être suivies tout ce temps-là. D’où la possibilité de reconstruire le profil temporel de leur émission lumineuse, appelée « courbe de lumière ». Les mesures de flux s’effectuent tous les trois ou quatre jours, à partir de quatre filtres allant du rayonnement optique au rayonnement infrarouge proche (figure 1). Cet échantillonnage perfectionne notablement les programmes antérieurs qui ne suivaient les supernovae qu’à plusieurs semaines d’intervalle et avec seulement deux filtres. Enfin, dès sa détection par SNLS, toute supernova potentielle, proche de 2
son maximum de lumière, est observée par des spectrographes sur des télescopes de 8 à 10 mètres de diamètre (VLT, Keck, Gemini) pour déterminer précisément son décalage spectral et son type (thermonucléaire pour les Ia ou gravitationnel). Les supernovae gravitationnelles étant peu exploitables pour la cosmologie en raison de leur grande variabilité lumineuse, seules les Ia sont sélectionnées après spectroscopie. À l’issue du relevé, SNLS dénombre 500 SNIa confirmées par spectroscopie, de décalages spectraux allant de 0,2 à 1,2. Cela signifie que leur formation a eu lieu dans un univers plus jeune de 2 et 8 milliards d’années environ. Ces supernovae remontent donc au très lointain passé de l’Univers. Pour parvenir jusqu’à nous, leur lumière a franchi des distances considérables de plusieurs milliards d’années-lumière. Or, sur de telles distances, le parcours des photons dépend significative ment de l’évolution passée de l’Univers. En conséquence, mesurer le flux des SNIa sur une gamme étendue de décalages spectraux, revient à remonter l’évolution passée de l’Univers, elle-même déterminée par son contenu en matière et énergie. Cette opération a été entreprise par SNLS dès la première année d’observations, sur la base de 70 SNIa confirmées par spectros copie. Les mesures montrent que le flux provenant des SNIa lointaines s’avère plus faible que celui attendu dans un Univers dominé par la matière. En revanche, ces mesures s’accordent avec les résultats d’un Univers en expansion accélérée, dominé à 74% par l’énergie noire (figure 2). Les données transmises par SNLS permettent aussi de tester l’évolution temporelle de la densité d’énergie noire. Perçue comme un fluide emplissant tout l’espace, l’énergie noire se caractérise par sa pression. Le rapport entre cette pression et la densité, noté w et appelé « paramètre de l'équation d'état de l'énergie noire », gouverne l’évolution temporelle de la densité y (arc minute) 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 x (arc minute) magnitude apparente 44 42 40 38 36 34 SNLS 1 an 0,2 0,4 0,6 0,8 1 décalage spectral Figure 2. Magnitude apparente des SNIa (déduite du flux lumineux au pic) en fonction de leur décalage spectral (Il est d’usage, en astrophysique, d’exprimer les flux lumineux sur une échelle logarithmique inversée, dite échelle des magnitudes : plus un objet est lumineux, plus faible sera sa magnitude). Les mesures réalisées lors de la première année de fonctionnement du SNLS (points) associées à des mesures sur des supernovae proches (cercles) sont comparées aux prédictions pour un Univers composé exclusivement de matière (courbe pointillée) et pour un univers en expansion accélérée, composé de 74% d’énergie noire et de 26% de matière (courbe en trait plein). d’énergie noire. Une valeur w = -1 correspond à une densité d’énergie noire constante dans le temps. Les résultats de la première année de SNLS, couplés à ceux d’autres observations, conduisent à une valeur de w compatible avec -1, pour une incertitude relative de 10% (figure 4, gauche). L’analyse des trois premières années de données de SNLS (soit 250 SNIa) s’achève et les conclusions vont dans ce même sens, avec une précision accrue : 6% au lieu de 10%. Affiner ce test reste un enjeu majeur : une densité d’énergie noire constante dans le temps favoriserait une interprétation en termes de constante cosmologique. Figure 3. Cartographie de la matière noire grâce à l’effet de cisaillement gravitationnel. Gauche : image résultant d’une simulation numérique montrant la distribution de matière noire (échelle de couleurs) et le cisaillement gravitationnel auquel sont soumises les images de galaxies lointaines (segments) ; « x » et « y » étant les coordonnées dans le plan de l’image. Droite : cartographie de la matière noire en coordonnées galactiques (contours) et visible (couleurs) dérivée par la technique de cisaillement gravitationnel à partir des observations du projet COSMOS (pour Cosmic Evolution Survey) avec le télescope spatial Hubble. déclinaison (degrés) 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 150,6 150,4 150,2 150,0 149,8 149,6 ascension droite (degrés) CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 83



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