Le 22 octobre 2015 et pour la première fois, une équipe internationale
d'astronomes dirigée par Hakim Atek du Laboratoire d'Astrophysique de l'Ecole
Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) a annoncé la découverte grâce au
programme "Frontier Fields" du Télescope Spatial Hubble de plus de 250 galaxies naines impliquées dans
le processus de réionisation de l'univers.
L'amas de galaxies Abell 2744 également appelé l'amas de Pandore photographié par les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer. Le champ couvre 2'x3'. Document NASA/ESA/STScI/Spitzer.
Ces galaxies ont été découvertes dans trois amas de galaxies contenant des lentilles gravitationnelles, Abell 2744 (l'amas de Pandore), MACSJ0416.1-24503 et MACSJ0717.5+3745 et les champs associés présentant de hauts redshifts. A ce jour, c'est MACSJ0717 qui présente les plus grandes lentilles gravitationnelles.
Les galaxies étudiées présentent un décalage Doppler compris entre z~6 et
z~8, certaines se situant à plus de 13 milliards d'années-lumière. Leur
magnitude apparente varie entre +26 et +29 pour une magnitude absolue comprise
entre -17 et -20 (fonction de luminosité UV) et ce qui est 20 fois plus brillant qu'une galaxie normale à cette
distance.
Ces galaxies ont la particularité de s'être formées entre 600 et 900
millions d'années après le Big Bang. L'analyse de leur spectre en ultraviolet a
révélé qu'elles étaient impliquées dans le processus de réionisation de
l'univers qui s'est déroulé entre 400000 ans et 1 milliard
d'années après le Big Bang.
Ce processus est encore très mal connu des astronomes car jusqu'à présent, en raison de la taille réduite des instruments, aucun télescope n'était parvenu à observer des galaxies remontant à cette lointaine époque.
Aujourd'hui, grâce à l'effet amplificateur des lentilles gravitationnelles et au télescope infrarouge Spitzer, les astronomes sont en mesure d'observer des galaxies encore un peu plus éloignées, jusque 13.2 milliards d'années-lumière, présentant un décalage Doppler jusque z~12. Au-delà, il faudra patienter jusqu'en 2018 avec le lancement du télescope JWST de 6.5 m qui permettra d'atteindre z=30 et d'observer en détail des galaxies qui se sont formées entre 400000 et 600000 ans après le Big Bang.
L'amas de galaxies MACSJ0717.5+3745. Cet amas comprend les plus grandes lentilles gravitationnelles découvertes à ce jour. Document NASA/ESA/STScI/Spitzer.
La réionisation de l'hydrogène
Pendant la période qu'on appelle les Âges Sombres qui débuta environ 300000 ans après le Big Bang, l'univers était essentiellement constitué d'hydrogène neutre totalement opaque au rayonnement.
Il a fallut attendre que le rayonnement UV des étoiles "chauffe" l'hydrogène neutre dans des régions de plus en plus vastes jusqu'à ioniser totalement le milieu intergalactique constitué de protons (noyaux d'hydrogène) et d'électrons libres. On estime que ce processus se termina au plus tard environ 1 milliard d'années après le Big Bang.
L'espace devenu transparent a ensuite permis à ce rayonnement dit Lyman alpha de se libérer des nuages d'hydrogène ionisé et de parvenir sur Terre.
C'est ce rayonnement que les astronomes recherchent dans le spectre des galaxies et des quasars les plus éloignés. Vu l'époque à laquelle il fut émis, il est bien entendu fortement décalé vers le rouge, passant d'une longueur au repos de 121.5 nm à plus de 1160 nm pour z=8.
Selon les astrophysiciens, les galaxies massives et lumineuses qu'on observe à plus courte distance ne sont pas suffisantes pour expliquer la réionisation de l'univers. Le bilan doit tenir compte d'autres d'autres sources d'énergie comme le vent stellaire émit par les premières étoiles dites de Population III, hypermassives et très chaudes qui vécurent entre 10 millions et 100 millions d'années, les explosions de ces mêmes étoiles en supernovae et sur les nombreuses galaxies naines primitives, d'où l'intérêt de cette étude et d'utiliser les télescopes les plus puissants.
Cette étude a montré que la fin de la réionisation se situe aux alentours de 700 millions d'années après le Big Bang, correspondant à z=7.5, donc un peu plus tôt que prévu, ce que d'autres études avaient déjà indiqué.
Ces travaux furent publiés dans l'Astrophysical Journal sous le titre
"The Faint-end of the UV Luminosity Function at z~6 to z~8: Combined Constraints
from the Hubble Frontier Fields Clusters and Parallels" dont voici le draft sur
ArXiv et un résumé sur site Hubble Space Telescope.
Notons qu'une étude similaire portant également sur l'amas Abell 2744
(Pandore) fut publiée en 2014 par l'équipe dirigée par Masafumi Ishigaki et
comprenant notamment Ryota Kawamata dont les travaux sont cités dans le même
article et dont voici le draft sur ArXiv.
La NASA a annoncé ce lundi 28 septembre 2015 avoir des preuves confirmant la présence d’eau liquide aujourd’hui sur la planète Rouge. Des ruisseaux de saumure
Ceci est une découverte majeure qui semble confirmer que "de l’eau liquide s'écoule sur le sol martien sous forme de ruisseaux de saumure", a déclaré John Grunsfeld, administrateur adjoint de la NASA, lors d’une conférence de presse.
Baptisées "Recurring Slope Lineae" ou RSL, ces "lignes de pente récurrentes" mesurent entre 50 cm et 5 m de large et peuvent s'étendre sur une centaine de mètres.
Ces ruisseaux sont des phénomènes saisonniers qui apparaissent lorsque le temps se réchauffe et disparaissent lorsque les températures redeviennent négatives, c'est-à-dire entre +24 et -70°C.
Cette découverte a été faite en 2010 par Lujendra Ojha du Georgia Tech grâce à l'imager HiRISE de la sonde orbitale MRO et confirmée en 2012 grâce au spectromètre embarqué à bord de MRO. Mais il fallut ensuite plusieurs années pour préciser les conditions physico-chimiques de leur apparition.
Traces de ruisseaux de saumure (en brun) d'une centaine de mètres de longueur sur les pentes du cratère Hale (les hauteurs sont exagérées 1.5 x et les couleurs ont été accentuées). Document NASA.
Les perchlorates
C'est en 2008 que la mission Phoenix trouva des indices de l'existence probable de perchlorates, une variété de sels, dans le sol de Mars mais la découverte ne fut pas confirmée.
Plus récemment, en 2012, la sonde Curiosity découvrit du perchlorate de calcium dans le cratère Gale et depuis les scientifiques en ont découvert à une douzaine d'endroits de la surface de Mars.
Selon Javier Martin-Torres, de l'équipe de Curiosity, "ces sels de perchlorate présentent une propriété appelée déliquescence. Ils capturent la vapeur d'eau de l'atmosphère et l'absorbe pour produire de l'eau salée". Ce cycle est quotidien et est maintenu par l'eau salée.
Cette substance agit également comme un antigel en abaissant le niveau de congélation de l'eau, raison pour laquelle les ruisseaux de saumure restent liquides jusque -70°C en raison de la faible pression atmosphérique (~6.3 mbar ou hPa contre 1013 hPa sur Terre au niveau de la mer).
Variation du taux d'humidité relative et de la température au sol dans le cratère Gale (gauche) et conditions de stabilité du perchlorate de calcium (droite). Document NASA/J.Martin-Torres et al.
Cela faisait des années que les scientifiques avaient émis l’hypothèse que les traces saisonnières d’écoulement pouvaient être formées par des coulées liquides. Mais c'est la première fois que les instruments confirment l'existence de saumures de perchlorate de calcium.
De formule chimique Ca(ClO4)2, sur Terre on trouve généralement les anions perchlorates (ClO4)- dans les endroits désertiques (Vallée de la Mort, désert d'Atacama, etc), parfois associés à des nitrates et souvent à des métaux (potassium, magnésium, sodium, etc).
Leur découverte sur Mars renforce donc encore un peu plus la filiation de la planète Rouge avec la Terre mais ne constitue pas un indice en faveur ou en défaveur de la vie.
A ce propos, Martin-Torres souligne que "les conditions près de la surface martienne ne sont aujourd'hui guère favorables à la vie microbienne telle que nous la connaissons".
Les perchlorates ont de nombreux usages dans l'industrie, des oxydants (propergols) pour l'armement ou les fusées aux feux d'artifices. Mais ce sont également des contaminants et des polluants persistants. Ils ne sont pas présents dans l'eau potable et ne sont donc pas tracés, sauf en cas de pollution.
Voici une très belle photographie de Saturne que vient de publier le JPL montrant le "Seigneur des Anneaux" sous un angle inhabituel.
La photographie a été prise par la sonde spatiale Cassini le 12 août 2009 à une distance d'environ 847000 km de Saturne sous un angle de phase Soleil-Saturne de 74°. La résolution est de 50 km/pixel sur le document original.
Notez que ce jour là les anneaux n'étaient pratiquement plus éclairés par le Soleil et ne projettaient qu'une fine ligne d'ombre à hauteur de l'équateur. Rappelons que leur épaisseur varie entre 100 et 1500 mètres.
Voici au même moment comment on voyait Saturne depuis la Terre simulée avec le programme "Solar System Imaging Simulator". La période des équinoxes de Saturne n'est jamais favorable pour l'observation des anneaux.
Lorsque la Terre traverse le plan équatorial de Saturne, les anneaux disparaissent totalement à notre vue et il faut user de techniques infrarouges (sensibles à la chaleur des poussières) pour les détecter.
Ce phénomène étonnant se produit tous les 15 ans. Il s’est présenté pour la dernière fois le 4 septembre 2009. La prochaine disparition des anneaux se produira le 23 mars 2025 comme on le voit ci-dessous.
En fait, les anneaux ne disparaissent pas complètement. Seules les régions les plus denses de l'anneau, diffusant la lumière du Soleil, restent visibles par photographie dans des télescopes d'au moins 250 mm d'ouverture. Voici comment on pouvait observer Saturne depuis la Terre il y a quelques semaines, 6 ans après la photographie de Cassini, le 14 août 2015. On observe actuellement son pôle Nord et l'ouverture des anneaux est presque maximale. Elle le sera en 2017 et 2018 où les anneaux dépasseront légèrement au-dessus du pôle Nord.
Photographie réalisée par Christopher Go avec un Celestron C14.
Saturne présente actuellement un diamètre de 16.9" (c'est plus de deux fois plus petit que Jupiter) et brille à la magnitude 1.6. A la latitude Paris ou Bruxelles, elle est visible au-dessus de l'horizon Sud-Ouest vers 21 h et se couche vers minuit locale.
Une équipe internationale d'astronomes a annoncé le 6 août 2015 la
découverte de la galaxie la plus distante de l'Univers : EGSY8p7. Son décalage
Doppler z=8.68. Elle se situe à 13.23 milliards d'années-lumière !
EGSY8p7 est la première galaxie observée au-delà de z=8. Elle fut découverte par le doctorant Guido Roberts-Borsani du Collège
Universitaire de Londres (UCL) sur les photographies prises par les télescopes
spatiaux Hubble et Spitzer.
La découverte fut ensuite confirmée par une équipe
d'astronomes utilisant le spectrographe infrarouge multi-objet MOSFIRE du
télescope WM Keck de 10 m d'Hawaii. Un spectre infrarouge fut obtenu après un temps d'intégration total de 4.3 heures.
Les astronomes ont déterminé la distance de cette galaxie à partir de la
position des raies de la série Lyman de l'hydrogène visibles dans la partie
infrarouge de son spectre.
En effet, alors que sur Terre (référentiel statique), la raie Ly-alpha se trouve dans la partie UV du spectre, à 121.5 nm, dans le spectre de cette galaxie elle se trouve dans le proche IR, à 1177.6 nm du fait de son important décalage Doppler !
La série de raies de Lyman est la signature caractéristique d'un gaz d'hydrogène chauffé par
le rayonnement UV des jeunes étoiles dans l'univers alors âgé de moins de 600
millions d'années soit juste un peu plus de 4% de son âge actuel.
Images de la galaxie EGSY8p7. Documents I.Labbé/U.Leiden, NASA/ESA/JPL-Caltech.
La découverte des raies de la série de Lyman en émission à une aussi grande distance était inespérée car elles peuvent facilement être absorbées dans la ligne de visée par les nombreux atomes d'hydrogène présents dans le milieu intergalactique (c'est la fameuse "forêt Lyman-alpha" typique des spectres d'absorption des galaxies et des quasars lointains).
Mais comme le précise l'astronome Adi Zitrin du Caltech,"en pénétrant plus
profondément dans l'Univers et donc vers des temps plus jeunes, l'espace entre
les galaxies contiendra de plus en plus de nuages sombres d'hydrogène qui
absorberont les signaux".
"Les premières galaxies montrant un tel déclin spectral apparaissent
lorsque l'Univers avait environ 1 milliard d'années, ce qui équivaut à un
redshift d'environ z=6. A l'époque de z=8.68, l'Univers devrait être rempli de
nuages d'hydrogène absorbants", déclara Zitrin.
Cette observation apporte donc de nouveaux indices sur le processus de réionisation cosmique au cours duquel les nuages obscurs d'hydrogène furent séparés en leurs protons et électrons constitutifs par la première génération de galaxies.
Image de la galaxie EGSY8p7 obtenue par le télescope WM Keck.
Les simulations de la réionisation cosmique suggèrent que l'Univers était
totalement opaque au rayonnement Lyman-alpha durant les premiers 400 millions
d'années de l'histoire cosmique.
Ensuite, progressivement, à mesure que les
premières galaxies sont apparues, l'intense rayonnement UV de leurs jeunes
étoiles a brûlé cet hydrogène obscurcissant dans des bulles de plus en plus
vastes qui finalement ont "ionisé" la totalité de l'espace compris entre les
galaxies, composé d'électrons libres et de protons.
Arrivé à ce stade, le
rayonnement Lyman-alpha a pu se propager librement dans l'Univers jusqu'à
parvenir sur Terre.
Selon le doctorant Sirio Belli du Caltech, "EGSY8p7 est à la fois
intrinsèquement très lumineuse et très éloignée, présentant de fortes émissions
d'hydrogène suggérant qu'elle est alimentée par une population inhabituelle
d'étoiles très chaudes. Il est possible que cela soit l'indice que les galaxies
contribuent au processus de réionisation. On peut concevoir que ce processus se
déroule dans certaines régions de l'espace évoluant plus rapidement que
d'autres, par exemple en raison de variations de densité de la matière d'un
endroit à l'autre.
Une explication alternative est de considérer EGSY8p7 comme le premier
exemple d'une génération primordiale de galaxies présentant un intense
rayonnement très ionisant".
A propos de l'analyse de son spectre et de la question de la réionisation cosmique, lire l'article d'Adi Zitrin et al.
(ApJ, 2015).
En juillet 2015, dans un article publié par l'astrophysicien Noam Libeskind et ses collègues de l'Institut Leibniz d'astrophysique de Potsdam, en Allemagne, dans les "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" (MNRAS, 2015), on apprend que la matière noire expliquerait l'alignement des galaxies naines satellites de la Voie Lactée.
Les effets de la matière noire
En vertu de la gravité, en principe les galaxies satellites doivent se répartir de façon sphérique autour de la galaxie centrale. Ce principe est valable pour la Voie Lactée comme pour les amas de galaxies. Cette distribution peut-être simulée sur ordinateur sur de très longue périodes de temps.
Confrontant les observations aux modèles, dans les années 1930 Fritz Zwicky constata que ce modèle n'expliquait pas la distribution des galaxies satellites dans l'amas de Coma (Chevelure de Berenice) et évoqua pour la première fois l'influence d'une "matière noire", invisible et indétectable qui solidariserait l'ensemble et influencerait les déplacements de la matière.
Cette matière noire serait omniprésente dans l'Univers et pourrait a priori également avoir un effet local sur la distribution des galaxies naines et même des étoiles au sein des galaxies.
Simulation de l'agglomération des galaxies autour des noeuds de filaments
de matière noire réalisée par les superordinateurs de l'Institut Kavli d'astrophysique des particules et de cosmologie de l'Université Stanford. Document KIPAC.
Cette théorie fut révolutionnaire en son temps et même si elle explique plutôt bien la dynamique des galaxies et de leurs satellites, elle fait encore l'objet de débats très controversés. Et pour cause, le modèle Standard n'a pas usurpé son nom et tous les astronomes n'acceptent pas une théorie sans preuve, encore moins une théorie exotique, même si elle peut expliquer les observations.
Les astronomes ont longtemps pensé que l'arrangement des galaxies dans les amas et des galaxies naines autour de la Voie Lactée résultait d'une distribution sphérique de la matière noire autour de la galaxie centrale. Cette substance hypothétique dont on ignore encore la composition et la structure n'interagit avec la matière ordinaire que par l'interaction gravitationnelle. Etant donné que cette force porte son influence à longues distances, la matière noire jouerait un rôle clé dans la formation des galaxies, l'expansion de l'univers, bref dans l'évolution du cosmos.
Cette représentation illustre le courant de galaxies, le flux galactique le long de la "super-autoroute" cosmique et sur le "pont de Virgo", dans la région entourant la Voie Lactée (MW), celle d'Andromède et de Centaurus A. Ces courants s'expliqueraient par l'alignement des galaxies le long de filaments de matière noire. Document N.Libesking/AIP.
En 2014, Noam Libeskind et ses collègues ont découvert que les galaxies naines satellites de la Voie Lactée s'alignaient de façon particulière.
Les résultats des recherches de l'équipe dirigée par Libesking ont montré que ces galaxies seraient entraînées par des structures cosmiques de matière noire qui s'étendraient bien au-delà de la Voie Lactée.
En effet, il existerait un réseau d'énormes filaments de matière noire le long desquels les galaxies naines s'aligneraient comme on le voit sur les schémas ci-joints.
Mais reste la question qui fâche : où se trouve cette matière noire dont on parle ? L'a-t-on détectée ? Les astronomes ont bien détecté certaines émissions X de gaz chaud (cf. l'amas NGC 2300 alias Arp 114) ainsi que des corps sombres mais quant à dire
qu'il s'agit de la matière noire qu'ils recherchent, ce n'est pas tout à fait
pareil.
C'est l'une des raisons pour laquelle Pavel Kroupa parmi d'autres astrophysiciens réfute cette théorie sous prétexte qu'il s'agit de spéculations non corroborées par l'observation.
Or, les travaux de Libesking prouvent aujourd'hui que Kroupa se trompe et que ce modèle expliquerait mieux les observations que n'importe quelle autre théorie classique. Espérons que l'avenir apportera un peu de lumière sur
cette matière noire insaisissable.
14 juillet 2015, 11:49 UT (13h49 à Paris) dans la salle du Mission Control (MOC) du JHUAPL de la mission New Horizons : - "We are in lock with carrier", annonça Alice Bowman, mission operations manager. - "Stand by for telemetry... We are in lock with the telemetry with the spacecraft !"
Les données et notamment les photos en haute résolution de Pluton transmises par la sonde spatiale New Horizons venaient de parvenir au réseau DSN de la NASA, confirmant le succès de la mission ! Aussitôt des cris de joie et des applaudissements retentirent dans la salle de contrôle.
Quelques instants plus tard la NASA annonça que la sonde spatiale New Horizons avait réussi comme prévu son rendez-vous avec Pluton !
Un rendez-vous historique
Les astronomes attendaient cet évènement depuis 1930 et la découverte de la planète naine par Clyde Tombaugh. C'est donc la première fois dans l'histoire de l'astronautique qu'un vaisseau spatial visite Pluton et retransmet des images de sa surface. La résolution des meilleures images est estimée à environ 50 m par pixel !
Pour tous les astronomes, c'est une révélation au point qu'on peut dire sans exagérer qu'on découvre un nouveau monde, et un adorable coeur ! Bienvenue Pluton !
Pluton photographiée le 13 juillet 2015 à 768000 km de distance révélant la fameuse formation claire en forme de coeur. Document JHUAPL.
Située à une distance variant entre 4.43 et 7.37 milliards de km du Soleil (29-49 UA), Pluton, fut longtemps écartée des missions
spatiales.
Finalement, après plusieurs reports et sous la pression des
scientifiques dont Alan Stern du SwRI, la NASA valida la mission "New Horizons"
en 2002 et lui alloua un budget de 650 millions de dollars. Une fusée Atlas V décolla de KSC le 19 janvier 2006 et fournit l'impulsion
nécessaire à la sonde spatiale New Horizons pour rejoindre Pluton qu'elle survola à 13718 km de distance au terme d'un voyage de 9 ans et parcourut
4.8 milliards de kilomètres à 49600 km/h.
La gestion du projet y compris des images a été confiée au Laboratoire de Physique Appliquée de l'Université Johns Hopkins (JHUAPL) avec le support de la NASA et du SwRI. La sonde spatiale New Horizons
La sonde New Horizons est un bijou de haute technologie et d'intégration. La sonde spatiale pèse 478 kg et consomme moins de 100 watts dont à peine 28 watts pour l'ensemble des sept instruments scientifiques, c'est un record - les sondes Voyager 1 et 2 lancées en 1977 disposaient de 5 instruments, pesaient 825 kg et consommaient 470 watts.
Comme la plupart des sondes d'exploration, New Horizons est alimentée par un générateur thermoélectrique à radioisotope (au plutonium) ou RTG. C'est le boîtier sombre à ailettes formant la "queue" de la sonde spatiale.
Tous les instruments étant fixés sur la même plate-forme et solidaires, New Horizons ne peut pas photographier et en même temps transmettre ses données à la Terre. Les données sont enregistrées dans deux mémoires flash (SSD), d'une capacité de 8 GB chacune et sont ensuite envoyées sous forme groupée vers la Terre.
Ainsi, les images du rendez-vous proprement dit ne seront envoyées que dans quelques heures et il faudra près de 5 heures pour les recevoir et les traiter avant de pouvoir les exploiter.
L'antenne parabolique à haut gain (42 dBi) mesure 2.1 m de diamètre et fonctionne en bande X. Deux antennes backup viennent la seconder en cas de panne (ce qui s'est produit temporairement fin juin 2015). Ce système transmet ses données au réseau DSN, en particulier à l'antenne DSS 43 de 70 m de diamètre de Canberra.
Le signal descendant (downlink) de New Horizons est émis sur 8.44 GHz avec une puissance de 12 W. Alors que le taux de transmission était de 38 kbps lors du rendez-vous avec Jupiter, à la distance de Pluton le taux est tombé à 2.11 kbps. Le signal est reçu 4.5 heures plus tard par le réseau DSN avec une puissance de 3.45x10-22 W, ce qui explique la taille des antennes de réception.
Le réseau DSN envoie ses instructions à la sonde spatiale (uplink) sur la fréquence de 7.18 GHz avec une puissance de 20.01 kW !
Le complexe du réseau DSN de la NASA installé à Canberra en Australie. Il utilise des antennes de 34 et 70m de diamètre.
La sonde spatiale New Horizons a été conçue pour étudier la géologie globale de Pluton, sa composition et sa température en surface, sa pression atmosphérique, le taux de déperdition calorifique et chimique dans l'espace ainsi que ses satellites naturels dont Charon.
La sonde spatiale New Horizons a été conçue pour étudier la géologie globale de Pluton, sa composition et sa température en surface, sa pression atmosphérique, le taux de déperdition calorifique et chimique dans l'espace ainsi que ses satellites naturels dont Charon.
Dans ce but, New Horizons dispose de 7 instruments d'analyses en plus de son antenne et des systèmes de contrôles (propulseur, système de guidage, système informatique, régulateur thermique, RTG, télécom).
Il y a tout d'abord LORRI, un imager à haute résolution qui a pris les clichés en noir et blanc avec une résolution maximale de 50 m/pixel au plus près de Pluton, "Ralph", un imager multispectral à basse résolution qui permet par exemple de connaître la distribution spectrale et la couleur de Pluton, "Alice" un spectrographe UV qui permet notamment d'analyser la diffusion de la lumière dans l'atmosphère de Pluton, PEPSSI, un spectromètre qui permet de détecter les molécules s'échappant de l'atmosphère de Pluton, complétés par un radiomètre (REX), un détecteur de vent solaire (SWAP) et un compteur de poussière (SDC).
*
Données physiques
Vu de Pluton, le Soleil est 1500 fois plus pâle que sur Terre avec une magnitude visuelle de -19 (contre -26.8 sur Terre). Il reste toutefois plus lumineux que la Lune vue de la Terre (Mv. -12.7), la lumière ambiante ressemblant à celle d'un coucher de soleil terrestre.
Sa surface reçoit 0.008 Watts/cm², portant sa surface à une température maximale de -203°C, 37°C plus chaude qu'un objet plongé dans l'ombre. Recevant si peu d'énergie, Pluton doit être plongé dans un profond isolement.
La grande inconnue concernait l'atmosphère de Pluton. A plus de 5 milliards de kilomètres du Soleil, tout le gaz contenu dans l'atmosphère de Pluton se condense et tombe en neige sur le sol comme l'illustre la simulation suivante réalisée par Mark Garlick. Dans ces conditions il est impossible de déceler quoi ce soit dans son atmosphère.
La photographie de sa surface n'est possible que si l'hémisphère survolée par la sonde New Horizons est éclairée par le Soleil et n'est pas obscurcie par l'ombre du satellite Charon, ce qui se produira vers 2020. Les astronomes ont donc eu beaucoup de chance de pouvoir planifier cette mission vers Pluton.
L'atmosphère
Actuellement et jusqu'en 2020 environ, Pluton est suffisamment proche du Soleil pour présenter une atmosphère. Elle est principalement composée d'azote (~90%) et d'environ 10% de monoxyde de carbone. Elle contient également du méthane mélangé à de l'ammoniac, du dioxyde de
carbone, de l'argon et de l'oxygène. De l'acide cyanhydrique (HCN) a
également été détecté ainsi que de l'hydrogène libre.
En raison de la faible masse de Pluton et de la légèreté des gaz, son atmosphère est très ténue avec une pression au sol de 0.2 à 0.3 Pa soit 0.003 mbars; elle est un million de fois inférieure à celle que nous connaissons en bordure de mer (1013 HPa).
Document JHUAPL adapté par l'auteur.
L'atmosphère de Pluton est aussi beaucoup plus étendue que celle de la Terre. L'exobase se situe vers à plus de 8000 km d'altitude (contre 600 km sur Terre) tandis que l'exosphère commence vers 9600 km d'altitude. La troposphère s'étend sur 40 km (contre ~10 km sur Terre).
La présence de méthane, un puissant gaz à effet de serre, augmente la température de l'atmosphère qui atteint -173°C en haute altitude où la pression atteint 3 Pa vers 100 km d'altitude.
Enfin, le vent solaire et le rayonnement UV interagissent avec l'atmosphère supérieure (l'exosphère) de Pluton; les molécules s'ionisent, sont entraînées par le champ de force du vent solaire et sa vitesse à tendance à décroître.
Schéma montrant les interactions entre les hémisphères éclairées et obscures de Pluton et la migration des substances volatiles qui s'en suit ainsi que sa structure géologique interne probable. Document J.Spencer.Lowell./Nature adapté par l'auteur.
Spéculations
En raison de la différente de température entre la haute et la basse atmosphère ainsi qu'entre les hautes et basses pressions, bien qu'ils n'aient pas encore été mesurés, il est probable que des vents soufflent sur Pluton. Leur force augmente au périhélie (lorsque Pluton est au plus près du Soleil).
Mais contrairement à la Terre, sur Pluton il n'existerait qu'un gradient horizontal de pression et de température. On estime la vitesse des vents en surface à 37 km/h.
Selon certains modèles utilisés pour Mars, ils pourraient atteindre 360 km/h en haute altitude où il n'y a plus d'effet de friction entre l'air et la surface.
Ces vents participeraient également à la redistribution de la glace sur la surface de Pluton. Tout ceci reste à confirmer.
Aspect d'un éventuel cryovolcan sur Pluton. Sa découverte serait un évènement majeur. Document T.Lombry.
Si les scientifiques ont observé peu de changements dans la haute atmosphère de Pluton entre 1988 et 2013, en revanche, la basse atmosphère s'est épaissie et sa pression a augmenté ainsi que la couche de brume en surface. Ces changements extrêmes peuvent être provoqués par le cryovolcanisme. Mais aucun geyser, aucune fumée n'a encore été détectée.
On pourrait également observer des formations nuageuses et de la brume très près du sol ainsi que de la neige constituée de très petits flocons (les particules condensées ne mesurant qu'environ un micron), même si la probabilité est faible.
De même, il est possible qu'on observe des aurores sur Pluton, mais les chances sont minces car il est difficile de détecter sa magnétosphère ainsi que son ionosphère de même que l'éventuelle interaction avec le vent solaire indispensable à 10 rayons de Pluton. Nous en saurons probablement plus dans les prochains jours. Géologie
Les géologues et les planétologues attendaient impatiemment les premières photographies de Pluton et les données scientifiques; ils n'ont pas été déçus.
Le couple Pluton-Charon photographié par la sonde New Horizons le 11 juillet 2015 à 4 millions de kilomètres de distance. Il s'agit du montage de deux photographies colorisées à partir des données de l'instrument Ralph. Document JHUAPL.
Les nouvelles mesures effectuées par New Horizons indiquent que Pluton mesure 2370 km de diamètre soit 18.5% de la Terre. Cette planète naine est donc bien plus petite que la Lune (3474 km).
Pluton présente une densité de 2.03. Elle serait composée d'environ 70% de roches et de 30% de glace. La gravité au sol atteint 0.58g.
Sur Pluton la vitesse de libération à l'équateur est réduite à 1.22 km/s (contre 11.2 km/s sur Terre et 2.4 km/s sur la Lune).
Comme prévu, la surface de Pluton est apparue très contrastée. Elle est constituée de silicates et présente un albedo variant entre 0.49 et 0.66, ce qui s'explique par la présence d'une grande couverture de glace.
Elle est composée à 98% d'azote et contient des traces de méthane et de monoxyde de carbone, vraisemblablement précipités de l'atmosphère.
Dans ces contrées reculées du système solaire, le méthane est refroidit à -203°C, 70 K, mais subit de forte variations en raison de l'excentricité de l'orbite de Pluton. En surface, la température peut descendre à -240°C !
Pluton dispose de deux calottes polaires et d'une région centrale plus sombre et très accidentée. La calotte polaire Nord paraît plus importante que celle de l'hémisphère Sud, elle contient également d'importantes quantités de méthane. En revanche, vue de la Terre, la calotte polaire sud est plus brillante.
Comme on le voit sur les photographies, Pluton présente de grandes étendues claires et très sombres bien délimitées, de vastes régions montagneuses, des crêtes, des pics et de grandes failles ainsi que quelques très grands cratères présentant un piton central.
Toutefois sa surface n'est pas criblée de cratères comme l'est la Lune par exemple, ce qui signifie que sa surface a été remodelée récemment. Selon les chercheurs, les montagnes se sont formées il y a plus de 100 millions d'années, soit très récemment comparé à l'âge du système solaire.
Pluton photographiée le 12 juillet 2015 à 2.5 millions de kilomètres de distance.
Les montagnes sont vraisemblablement constituées de roches mêlées de glace de méthane et d'azote, des matériaux qui ne sont pas assez résistants pour former de hautes montagnes. En revanche, la glace peut former des pics comme on le voit sur les photos.
Actuellement, on ignore si Pluton dispose d'un faible champ magnétique et d'une ionosphère. Nous en saurons certainement plus dans les semaines et mois qui viennent.
Le satellite Charon
Pluton est entouré de cinq satellites naturels dont Charon qui mesure 1208 km de diamètre (9.5% de la Terre). Il orbite à 19640 km de Pluton, les deux astres gravitant autour de leur barycentre commun.
Bien que formé en même temps que Pluton il y a plusieurs milliards
d'années, Charon est tout différent avec une surface très sombre (albédo compris entre 0.32-0.39) et beaucoup
plus rouge, similaire à celle des astéroïdes. Il perd son
atmosphère au profit de celle de Pluton.
Les premières photographies montrent que Charon présente un profond canyon de 6 à 10 km de profondeur ainsi que des fosses et des falaises mais relativement peu de grands cratères.
Charon photographié le 13 juillet 2014 à 466000 kilomètres de distance.
L'avenir
Malheureusement aucune nouvelle mission n'est envisagée vers Pluton. Les photos que nous avons reçues seront donc les seules à notre disposition durant les prochaines décennies sinon davantage. Elles ont d'autant plus de valeurs.
Cela ne signifie pas que la mission de New Horizons soit terminée; elle doit encore atteindre les faubourgs de la Ceinture de Kuiper située à 500 U.A. du Soleil qu'elle rejoindra vers 2026 si entre-temps elle ne subit aucun dommage.
En effet, si cette région éloignée du système solaire est très isolée, elle contient malgré tout des astéroïdes, transneptuniens et autres KBO, qui une (mal)chance sur 8000 de percuter la sonde spatiale.
Le rendez-vous historique avec Pluton. Document T.Lombry.
Mais dans les années à venir les scientifiques ont des projets plus ambitieux et urgents comme la construction de la future base lunaire envisagée après 2020, l'exploration de Mars vers 2035, et plus modestement l'exploration in situ du satellite Europe de Jupiter parmi d'autres projets.
Il est temps à présent de mettre à jour tous les livres d'astronomie et de remplacer les vieilles photos stellaires ou les dessins jaunis de Pluton par de belles photos en haute résolution. Avis aux auteurs. Pour plus d'informations
Dans 2 jours et 19 heures, la sonde spatiale New Horizons survolera Pluton à 11000 km de distance, une première dans l'histoire de l'astronomie. Ne manquez pas cet évènement car j'ai l'impression que nous ne revisiterons plus Pluton avant très longtemps...
A quoi peut rassembler la surface de Pluton ? A l'heure où ces lignes sont rédigées personne ne le sait exactement. On ignore si sa surface est couverte de glace par exemple ou de roches, si elle est très accidentée ou plutôt lisse, pas plus que sa véritable couleur. On ignore également si son atmosphère est colorée, s'il neige du méthane ou s'il y a des geysers. Nous avons bien des indices, mais il en faut plus pour bâtir des théories.
Les illustrateurs ont donc encore quelques jours pour donner libre cours à leur imagination.
Voici par exemple comment j'imagine Pluton en présence de son plus gros satellite Charon :
Réponse officielle : patientez jusqu'au 14 juillet 2015 après-midi lorsque le JPL recevra les images de la sonde spatiale New Horizons.
Même si elle ne transmettra pas ce type d'images, elle sera suffisamment près pour qu'on puisse examiner son relief en détails (distribution et taille des cratères, des montagnes et des failles) et détecter la présence éventuelle de brume au sol. D'autres instruments permettront de déterminer avec précision la composition de sa légère atmosphère, l'existence d'éventuels d'aérosols et d'un champ magnétique.
En attendant, voici trois photographies révélant le relief de Pluton, notamment ce qui ressemble à une chaîne de montagne traversant l'hémisphère à hauteur de l'équateur ainsi que des régions complexes et localement polygonales bordées de bandes sombres et de failles.
Les photos ont été prises avec la caméra LORRI (LOng Range Reconnaissance Imager) et colorisées à partir des données de l'imager multispectral Ralph.
Pluton photographiée le 11 juin 2015 à 4 millions de kilomètres de distance par la sonde spatiale New Horizons. Document JHUAPL.
Pluton photographiée le 9 juin 2015 à 5.4 millions de kilomètres de distance et centré sur la longitude de 19°.
Pluton photographié le 8 juillet 2015 à 8 millions de kilomètres de distance et centé sur la longitude de 133°.
Vous trouverez d'autres illustrations dans ma page "Alien Worlds".
Dans un article scientifique publié le 17 juin 2015, des astronomes ont annoncé avoir découvert au moyen du télescope VLT de 8.20m de l'ESO, la galaxie la plus brillante de l'Univers primordial ainsi que des preuves solides de l'existence de la première génération d'étoiles en son sein, appelée la Population III.
Ces étoiles massives et brillantes qui étaient encore récemment considérées comme des astres théoriques sont à l'origine de la création des tous premiers éléments lourds qui entrent dans la composition des étoiles de 2eme et 3eme génération qui peuplent aujourd'hui l'univers ainsi que de leurs cortèges planétaires et de la vie telle que nous la connaissons.
La nouvelle galaxie CR7 (COSMOS Redshift 7) située à 12.9 milliards d'années-lumière (z=7) est trois fois plus brillante que
la galaxie primordiale la plus lumineuse connue à ce jour !
Cela fait des décennies que les astronomes ont supposé l'existence d'une première génération d'étoiles issue de la matière originelle
créée lors du Big Bang.
Tous les éléments lourds (c'est-à-dire plus lourd que l'hydrogène, tels l'oxygène, l'azote, le carbone, etc, jusqu'au fer) essentiels à la vie ont été créés à l'intérieur des étoiles. Cela signifie que les premières étoiles étaient constituées des seuls éléments précurseurs, à savoir l'hydrogène, l'hélium, et quelques traces de lithium.
Ces étoiles de Population III auraient été gigantesques, des centaines, voire des milliers de fois plus massives que le Soleil, elles étaient excessivement chaudes et éphémères. En raison de leur masse, elles ont explosé en supernovae après seulement deux millions d'années d'existence.
Mais jusqu'à présent, aucune réelle preuve matérielle n'était venue étayer l'hypothèse de leur existence.
Une équipe menée par David Sobral de l'Institut d'Astrophysique et des Sciences Spatiales, de l'Université de Lisbonne au Portugal, et de
l'Observatoire de Leiden aux Pays-Bas, a utilisé le VLT pour sonder l'Univers primordial et remonter à l'époque de la réionisation,
soit quelque 800 millions d'années après le Big Bang.
Les quatre télescopes VLT de 8.20m de l'ESO, l'un d'eux utilisant son optique adaptative pour améliorer la résolution des images. Document Serge Brunier.
Plutôt que d'étudier une
infime partie du ciel profond, avec ses collègues astronomes ils ont étendu leur champ d'observation et
produit le sondage galactique le plus vaste jamais réalisé. Cette étude fit appel à toute la puissance des télescopes Keck, Subaru et au Télescope Spatial Hubble.
C'est au cours de cette étude que l'équipe a découvert la galaxie CR7.
Grâce aux instrumentations scientifiques équipant le VLT, les astronomes ont détecté une
forte émission d'hélium ionisé au coeur de cette galaxie mais, curieusement et fort
heureusement, aucun signe de la présence d'éléments plus lourds au sein de sa partie lumineuse.
Autrement dit, les astronomes ont découvert le
premier véritable indice de l'existence d'amas d'étoiles de Population III
responsables de l'ionisation du gaz contenu à l'intérieur d'une galaxie de
l'Univers primordial.
Au sein de CR7, des amas d'étoiles de couleur plus bleue, parfois plus rouge, ont été détectés, suggérant que les étoiles de Population III sont apparues par vagues successives – comme cela avait été prédit.
L'équipe a également observé la toute dernière vague d'étoiles de Population III. Ainsi donc, ces étoiles seraient plus faciles à détecter qu'on ne le pensait auparavant : elles résident parmi les étoiles ordinaires, au sein de galaxies brillantes – pas seulement au cœur des premières galaxies, de tailles réduites et de luminosités plus faibles, si faibles que leur étude s'avère extrêmement compliquée.
Vous trouverez plus d'informations sur le site de l'ESO.
La NASA vient de publier une nouvelle vidéo simulant le survol de l'astéroïde Cérès, l'un des plus petits corps célestes de forme sphérique (950 km de diamètre contre 540 km pour Vesta qui est de forme elliptique).
Ce film élaboré par l'équipe Dawn du Centre Aérospatial Allemand DLR est basé sur un montage de 80 images enregistrées par la sonde spatiale Dawn à une altitude comprise entre 13600 et 5100 km.
Si certaines zones blanches rassemblent à des étendues glacées, les scientifiques n'en ont pas la certitude et ignorent encore leur origine et leur composition.
La quantité de détails est impressionnante et le résultat donne vraiment l'impression de survoler l'astre. On a même l'impression qu'en faisant un 100 mètres, on pourrait se retrouver dans le vide. Mais heureusement, avec sa masse, Cérès nous maintiendrait au sol.
A l'occasion de la Saint Valentin, plus d'un amoureux vont offrir une belle bague à leur bien-aimée.
Si vous levez la tête au ciel, vous avez la possibilité de voir un anneau de diamant très original.
En 2014, le télescope VLT (8.20m) de l'ESO installé sur mont Paranal au Chili a photographié en haute résolution la nébuleuse planétaire Abell 33.
Située dans la constellation de l'Hydre, à 2700 années-lumière du Soleil,
c'est une petite nébuleuse circulaire de 4.5' de diamètre brillant faiblement à
la magnitude 13.4. Elle se situe juste à côté de l'étoile blanche HD 83535 de
classe spectrale A1 V de magnitude 7.21 (coord. AD: 9h 39.1m, Déc: -2° 50.4').
La nébuleuse n'est visible que dans un télescope d'au moins 250 mm
d'ouverture et plus facilement sous filtre à bande passante étroite (par ex.
OIII). Sa couleur bleue n'apparaît que sur les photographies.
Par le plus grand des hasards, la brillance de sa surface n'est pas uniforme et est légèrement plus contrastée du côté sud-ouest (secteur 90-185°), où se situe l'étoile.
Cette nébuleuse à laquelle ressemble également Abell 39, n'a rien de particulier si
ce n'est qu'elle est parfaitement circulaire et par un effet de perspective l'étoile est placée juste sur son
périmètre extérieur, rappelant une bague sertie d'un diamant.
Le champ d'Abell 33. L'étoile orange est Iota Hydra visible à l'oeil nu (Mv.3.91). Document ESO/DSS2.
Comme toutes les nébuleuses planétaires, Abell 33 s'est formée suite à
l’expulsion des couches superficielles d'une étoile semblable au Soleil qui
s'est transformée en étoile naine et sur le point de mourir. Elle apparaît sur l’image comme un petit
point blanc près du centre de la nébuleuse.
La nébuleuse brille grâce aux
intenses rayonnements ultraviolets émis par l'étoile naine. D'ici quelques
centaines de milliers d'années, quand l'étoile se refroidira, elle cessera
d'émettre ce rayonnement UV intense et par la même occasion la nébuleuse ne sera
plus excitée électroniquement et disparaîtra au regard des observateurs.
A voir : Les coeurs de Mars (photos authentiques).
L'équipe scientifique de la mission Planck de l'ESA vient de publier ses résultats complets, révélant une vue remarquablement détaillée de l'Univers et de notre Galaxie. Voici l'aspect du ciel comme vous ne l'avez jamais vu, tel qu'il était environ 380000 ans après le Big Bang, c'est-à-dire il y a 13.4 milliards d'années, lorsque l'univers était 1100 fois plus petit qu'aujourd'hui.
Les données complètes de la mission Planck publiée en février 2015 fournissent une carte précise de la polarisation (au-dessus) et de la température (en-dessous) du fond diffus cosmologique micro-onde à travers tout le ciel. Les données mesurées par Planck montrent des fluctuations aussi faibles que 2 microKelvin (2 millionième de degré). Précisons que l'empreinte de la Voie Lactée a été retirée de ces données mais elle fut également exploitée par les astrophysiciens. Document Planck - collaboration ESA.
La mission Planck et l'écho du Big Bang
Le satellite Planck fut lancé en 2009 par l'ESA pour étudier le fond de rayonnement diffus cosmologique micro-onde (CMB en anglais) à 2.7 K également appelé le rayonnement "fossile" émis au cours de la naissance de l'Univers.
Ceci demande une explication.
Par analogie, quand une explosion se produit, à mesure que le temps passe le son et la température du phénomène diminuent.
L'Univers connut un phénomène analogue à l'exception qu'il ne s'est pas produit dans une enceinte. Aujourd'hui, la température moyenne de l'Univers est tombée précisément à 2.72548 ±0.00057 K soit environ -270.4°C, un froid glacial. Cette température est isotrope et donc indépendante de l'endroit du ciel ou plutôt de l'orientation dans laquelle on la mesure.
Le satellite Planck.
Mais mieux que cela, cette courbe de température épouse parfaitement la courbe d'énergie d'un corps noir porté à la même température, renforçant la confiance des scientifiques en leurs théories.
Cela signifie également que cette température est indépendante de la nature de la matière ou de l'énergie l'ayant émise.
Ce rayonnement diffus cosmologique c'est-à-dire consécutif à la création de l'Univers, résulte de la dégradation d'une température initiale de 3000 K émise il y a 380000 ans, à l'époque dite du découplage, lorsque l'Univers devint transparent au rayonnement et que la matière a pu se forrmer.
A cette époque, l'Univers avait 0.1% de sa taille actuelle et contenait encore 1 milliard de photons (rayonnement) pour chaque proton (de matière). Ceux-ci avaient une énergie de repos de 0.94 GeV, autrement dit aussi puissante que celle des rayons gamma. Autrement dit, pratiquement rien ne pouvait survivre à cette époque où le rayonnement était encore bien trop intense.
Mais il a suffit que l'Univers grandisse encore un peu et se refroidisse un tout petit peu afin que l'énergie des photons se dégrade d'1 eV pour que la matière prenne le pas sur le rayonnement et que l'Univers permette l'élaboration de la matière, qu'il se matérialise avec son cortège de nébuleuses, étoiles, galaxies et planètes jusqu'à créer la vie complexe.
Ce modèle d'Univers appelé le modèle du Big Bang a été renforcé par les résultats des missions COBE (1992), WMAP (2012) et aujourd'hui Planck.
Les mesures effectuées par Planck sont 30 fois plus précises que celles de WMAP et 1000 fois plus précises que celles COBE.
On peut donc dire aujourd'hui avec certitude que le Big Bang a eu lieu, quelle fut sa température et son niveau d'énergie parmi d'autres paramètres.
Cela signifie également que les théories alternatives (modèle quasi-stationnaire HBN, de la création continue, de la lumière fatiguée ou encore l'univers META et son antimatière parmi d'autres) doivent être abandonnées.
Reste en théorie dans la course, certains modèles exotiques faisant par exemple appel aux supercordes et aux théories membranaires (théorie M, etc) pour tenter d'unifier la relativité générale et la physique quantique et peut-être comprendre ce qui s'est produit à l'instant ou même avant le Big Bang. Mais ceci est une autre histoire. La théorie du Big Bang
En attendant d'inventer cette théorie plus générale, la théorie du Big Bang représente aujourd'hui le modèle Standard de la cosmologie.
Il se développa à partir de 1934 mais il fut surtout popularisé à partir 1976 par le physicien Steven Weinberg de l’Université d'Harvard grâce à son fameux livre "Les trois premières minutes de l'Univers" toujours disponible.
Planck a cartographié le ciel à neuf fréquences thermiques et sept de polarisation comprises entre 30 et 857 GHz avec une résolution angulaire variant entre 5°' et 5' selon la fréquence. Il cessa de fonctionner quatre ans plus tard, fin 2013.
Les fluctuations de densité qu'on observe dans la carte du rayonnement à 2.7 K représentent les germes de croissance des futures grandes structures cosmiques que sont aujourd'hui les superamas de galaxies reliés entre eux par d'immenses ponts de matière, l'ensemble étant enveloppé dans une masse d'énergie sombre indétectable.
En essayant de comprendre pourquoi le rayonnement cosmologique micro-onde présente cet aspect irrégulier à grande échelle, les cosmologistes et les physiciens peuvent mieux comprendre l’entièreté du processus cosmique et affiner les contraintes sur leurs modèles.
Les limites du modèle cosmologique Standard
En cosmologie, les scientifiques s'intéressent à l'évolution de l'Univers et essentiellement aux premiers instants de sa genèse car dans une certaine mesure, elle peut faire l'objet d'expériences.
A cette époque reculée, les évènements n'avaient pas grand chose à voir avec ce qu'on observe aujourd'hui dans la vie de tous les jours.
Dans l'Univers primordial à l'époque étudiée par Planck, le niveau d'énergie était intense (~1 GeV), la chaleur infernale (6000 K), l'Univers était opaque et les particules animées d'une vitesse relativiste. Bref, les évènements se déroulant à l'échelle subatomique étaient extrêmement rapides et violents et seules les lois de la physique quantique alliées à celles la relativité générale s'appliquaient.
Aujourd'hui, ces lois s'appliquent encore mais soit elles portent leur influence à l'échelle subatomique ou au contraire à grande échelle (globale)soit elles sont "écrasées" par des forces locales beaucoup plus intenses comme les liaisons fortes interatomiques ou les liaisons chimiques au sein des molécules.
Mais à cette époque reculée, tout baignait encore dans une sorte de soupe de plasma (des particules pratiquement élémentaires) et d'énergie gamma opaque et peu dense, contenant 75% de noyaux d'hydrogène (des hélions ou particules alpha) et des électrons ainsi que d'innombrables neutrinos et d'autres particules élémentaires (quarks, etc., mais a priori rien "d'exotique" au grand dam de certains théoriciens).
Mais inventé voici plusieurs décennies à une époque où on imaginait encore l'Univers comme étant assez simple, ce modèle cosmologique Standard souffre aujourd'hui de quelques défauts.
Il ne "fonctionne" qu'à partir d'environ 10-35 secondes après le Big Bang et n'accepte pas d'autres structures mathématiques que les équations de champ de la relativité générale ni d'autres particules élémentaires que les quarks, les leptons (électron, neutrinos, muon, etc.) et une poignée de bosons (photon, graviton, etc).
Or l'observation et l'étude de l'Univers à haute énergie contredisent ce résultat; il existe d'autres types de particules dont potentiellement tout un bestiaire de particules supersymétriques et des entités de dimensions supérieures (branes, etc).
Ce modèle ne répond donc que partiellement à l'unification des forces développée dans les théories de Grande Unification (GUT et autre TOE) qui étudient vraiment les tout premiers instants de l'Univers.
De plus, la théorie du Big Bang est incapable d'expliquer ce qui a provoqué le "bang" et ce qui a fait "bang", ni pourquoi l'Univers a le même aspect dans toutes les directions, pourquoi la densité actuelle de l'Univers est si proche de 1 alors qu'elle aurait pu avoir n'importe quelle valeur, pourquoi l'Univers paraît si plat ou pourquoi les constantes fondamentales ont des valeurs si finement ajustées, etc.
Pour espérer résoudre toutes ces énigmes, il fallait donc amender le modèle Standard du Big Bang.
Le modèle cosmologique lambda-CDM
La théorie du Big Bang a été affinée et complétée pour que les physiciens et les cosmologistes puissent étudier ce qui s'est passé au commencement de l'Univers, c'est-à-dire si possible (et s'il existe) jusqu'au temps "0", notamment grâce au modèle baptisé lambda-CDM.
Lambda-CDM est le plus simple modèle d'univers inflationnaire, un univers plat contenant de la matière sombre et froide (Cold Dark Matter) et une constante cosmologique, lambda.
"Lambda" est la fameuse constante cosmologique d'Einstein qu'il ajouta à sa théorie de la relativité générale en 1917 avant de la considérer comme une erreur en 1929 lorsque Edwin Hubble découvrit la récession des galaxies, leur fuite apparente vers les confins de l'Univers.
Selon l'équation de champ d'Einstein, une valeur non nulle de lambda représente une densité d'énergie du vide non nulle (on parle de "faux vide" pour le différencier du vide classique).
Aujourd'hui, la plupart des cosmologistes se réfèrent à une autre constante cosmologique "lambda" qui joue un tout autre rôle en accélérant le taux d'expansion de l'Univers par le biais d'une énergie sombre et inconnue qui semble envahir l'espace.
En soi l'association de "lambda" à l'une ou l'autre forme d'énergie permet de mettre les modèles d'Univers en concurrence, jusqu'à ce qu'une version émerge, la plus conforme aux observations.
Ces concepts plutôt abstraits et mathématiquement très élaborés font référence à des modèles inflationnaires de l'Univers dans lesquels la physique des hautes énergies joue un rôle essentiel.
Ainsi, les mécanismes de Higgs (Cf. Alan Guth et Andrei Linde) également appelés le champ d'inflaton intervient spontanément pour briser la symétrie entre les interactions afin de permettre au modèle inflationnaire de rejoindre le modèle Standard une fraction de seconde après le Big Bang.
Même si dans la version de l'énergie du vide, sa valeur est dérisoire (lambda est de l'ordre de 10-29 g/cm3), à grande échelle elle provoque une répulsion qui conduisit à l'expansion accélérée de l'Univers, raison pour laquelle elle revient dans toutes les théories modernes sur la cosmologie.
Le modèle lambda-CDM impose plusieurs conditions :
- l'Univers est une solution particulière des équations de la gravité de la théorie de la relativité générale
- l'Univers est homogène à grande échelle et est en expansion
- l'Univers connut une période d'expansion exponentielle appelée l'inflation qui s'arrêta lorsque l'asymétrie apparut, 10-35 sec après le Big Bang
- les fluctuations quantiques sont à l'origine de la distribution de la matière à grande échelle observée aujourd'hui.
Les deux dernières conditions sont spécifiques à cette théorie et sont pour le moins exotiques dans la mesure où elles sortent des phénomènes habituels et palpables.
Mais comme nous le savons en science, ce n'est pas parce qu'on ne voit pas quelque chose, qu'il n'existe pas.
A partir de là, les physiciens ont dû faire des suppositions et émettre des hypothèses de travail, que d'autres ont cherché à combattre, certaines pour de bonnes raisons, d'autres tout simplement parce qu'ils ne les comprenaient pas et ne voyaient pas l'intérêt d'inventer une physique a priori exotique qui semblait impossible à vérifier.
Dans le modèle cosmologique inflationnaire que nous devons à Alan Guth, l'inflation
(rectangle bleu) se produit lorsque la densité de Planck est descendue
en-dessous de 1094 g/cm3,
peu avant 10-35 sec. Mais ce scénario ne fonctionne pas.
Andrei Linde l'a modifié en faisant commencer l'inflation au temps de Planck,
à 10-43 sec (rectangle gris) et en faisant intervenir une théorie tachyonique. Toutefois
quel que soit le scénario inflationnaire le rayon de l'univers observable (13.78 milliards d'années-lumière)
est de loin inférieur à la distance de l'horizon cosmologique qui représente
la distance maximale entre deux régions causalement liées par un signal
lumineux. Document T.Lombry.
Mais on peut dire que depuis les travaux précurseurs d'Alexey Straboninsky puis ceux d'Andrei Linde en 1974 notamment, ce modèle inflationnaire a reçu du galon suite aux premières découvertes des satellites COBE et WMAP et est aujourd'hui supporté par la majorité des cosmologistes.
Cerise sur le gâteau, les résultats de Planck confirment tout à fait ce modèle avec une très grande précision.
Ce qui est plus étonnant encore, c'est que cette théorie fonctionne. C'est bien sûr le but de la Science de proposer des explications, mais nous savons qu'au cours de l'Histoire, on a parfois cherché à "sauver les phénomènes" comme à l'époque des Anciens Grecs ou le public n'acceptait tout simplement pas la réalité et préférait croire que la Terre était plate et placée au centre du monde, une manière aussi de se rassurer face à l'inconnu.
Dans ce contexte, le fait que le modèle lambda-CDM et ses quatre conditions fonctionnent s'explique physiquement parce qu'à l'époque de la Recombinaison, l'Univers s'était suffisamment refroidi pour devenir transparent au rayonnement cosmologique qui a pu se libérer de la purée d'énergie et se dissiper dans tout l'Univers de manière isotrope tout en conservant l'empreinte des germes d'hétérogénéité qui seront les futures grandes structures cosmiques.
Finalement, 380000 ans après le Big Bang, l'Univers était encore très simple. Il était constitué d'une soupe de plasma baryonique a priori mélangée à de la matière et de l'énergie sombre dans laquelle il n'y avait encore aucune réaction chimique car le niveau d'énergie l'empêchait.
A partir des données de Planck et en les comparant aux modèles et aidés par des superordinateurs vectoriels simulant ces processus, les scientifiques sont aujourd'hui en mesure de proposer une recette, une configuration physique de l'Univers qui permet de reproduire avec une très haute précision la distribution du rayonnement cosmologique observée par Planck.
Gros-plan sur la carte du rayonnement cosmologique à 2.7 K cartographié par Planck. Les couleurs sont tracées en fonction de la température et témoignent de la distribution de la matière. Les textures matérialisent les lignes de champ magnétique créées en fonction de l'orientation de la polarisation; elles témoignent des déplacements de la matière. Le signal polarisé (mode B) est largement dominé par les ondes de densité de la matière (les modes scalaires ou modes E). La carte de gauche présente une résolution de 5°, celle de droite de 20'. Document Planck - collaboration ESA.
Les taches hétérogènes rouges et bleues qu'on voit dans l'image thermique de Planck sont les signatures d'un état et d'un mode particulier d'évolution du modèle du Big Bang inflationnaire associé au modèle lambda-CDM.
L'inflation de l'Univers s'expliquerait en raison de l'amplitude de plus en plus grande des fluctuations quantiques des ondes de densité (des champs scalaires, non orientés) qui ont fini par comprimer et dilater la matière, donnant naissance à des hétérogénéités à "petite échelle" à cette époque, les germes des futurs superamas de galaxies.
Ceci résume le contexte historique et scientifique à l'origine de la mission Planck. Voyons à présent les résultats de cette mission à laquelle ont collaboré 500 chercheurs internationaux répartis en deux équipes, une italienne et une française. Les résultats de Planck
Les résultats présentés en 2015 soutiennent ceux publiés en 2013 à quelques virgules près dans les paramètres cosmologiques. Ils renforcent et même confirment que l'Univers primordial peut se définir au moyen de six paramètres, quelle que soit la manière dont les scientifiques manipulent les données.
Ces six paramètres sont :
1. la densité de matière baryonique (constituant la matière ordinaire) créée au cours des premières minutes de l'Univers
2. la densité de matière sombre à la même époque
3. la distance de propagation des ondes soniques à l'époque où le rayonnement cosmologique s'est libéré (l'horizon du son) ou la taille angulaire des oscillations baryoniques acoustiques (BAO)
4. le pourcentage de photons du rayonnement cosmologique ayant dispersé les particules libérées par le rayonnement stellaire ou celui des quasars et ionisé l'hydrogène neutre remplissant le cosmos
5. l'amplitude des fluctuations de densité en fonction de l'échelle angulaire à la fin de la période inflationnaire et comment elles ont évolué en fonction de la taille de l'Univers
6. La pente du 5eme paramètre à travers le spectre.
A partir de ces variables, les scientifiques ont pu calculer toutes les autres propriétés de l'Univers comme son âge ou son taux d'expansion.
Spectre de puissance du rayonnement cosmologique à 2.7 K. L'intensité des variations de température (verticalement) a été tracée en fonction de leur dimension angulaire (horizontalement, c'est approximatif). La ligne rouge représente les prédictions du modèle cosmologique Standard, les points bleus les données de Planck. En résumé, l'expérience confirme la théorie. Document Planck - collaboration ESA.
Mais comme rien n'est jamais simple et isolé en science, les valeurs exactes dépendent de sous-ensembles de données qui apportent une tolérance ou une certaine marge d'erreur aux résultats dont les plus importants sont les paramètres cosmologiques suivants :
- L'âge de l'Univers : 13.799 ±0.038 milliards d'années
- Le paramètre de Hubble : Ho= 67.8 ±0.9 km/s/Mpc
- La densité baryonique : 0.4181 ±0.0043 yg/m3 (yoctogrammes/mètre cube)
- La densité de l'énergie sombre : 0.692 ±0.012
- La densité de la matière sombre et froide : 2.23 ±0.032
- Le rayon de courbure de l'Univers : -0.0029 < K < +0.008 avec 95% de confiance. Les conséquences de la constante de Hubble
La constante de Hubble, Ho, fut découverte par Edwin Hubble en 1929 lorsqu'il découvrit que les galaxies se situaient bien au delà des distances ordinaires et semblaient nous fuir d'autant plus rapidement qu'elles étaient éloignées.
L’intervalle de temps 1/Ho est une valeur indépendant de la distance qui permet de déterminer l’âge de l’Univers.
Avec Ho=100, dans le modèle cosmologique le plus simple (Einstein-De Sitter ou FRW) dans lequel l'univers est plat, l’Univers n’aurait pas 10 milliards d’années. Pour Ho=100 et un paramètre de densité précis, l'Univers peut avoir 20 milliards d'années. Son âge peut donc passer du simple au double en fonction d'un seul paramètre.
La constante de Hubble a été estimée à Ho= 69.32 ±0.80 km/s/Mpc selon WMAP et Ho= 73.8 ±2.4 km/s km/s/Mpc selon le Télescope Spatial Hubble.
L'Univers tel qu'il est à plusieurs milliards d'années-lumière... Il y a bien sûr des milliers de galaxies mais il y a surtout 75% de matière et d'énergie sombres ! Document NASA/STSCI/HST.
On savait en théorie que la valeur de Hopouvait osciller entre 50 et 100 mais on privilégiait une valeur proche de 73 km/s/Mpc déduites des mesures du HST.
Une faible valeur de Hocomme 67.8 km/s/Mpc signifie que le taux d'expansion de l'Univers est plus lent que celui estimé par le HST, que l'Univers est plus jeune (13.8 milliards d'années) qui si on adoptait la valeur de 73 km/s/Mpc et que quelque chose l'empêche de s'étendre.
Il peut s'agir de matière (mais c'est peu probable car on la voit et on peut la détecter) ou d'autre chose de plus exotique et invisible dans la plupart des instruments et dans la plus grande partie du spectre.
Cette "matière manquante" peut se cacher sous forme d'innombrables corps sombres, d'antiparticules ou de particules interagissant peu avec la matière ordinaire. D'où l'importance de savoir ce que représente cette énergie sombre d'origine inconnue qui remplit les deux tiers de l'Univers.
Si on prend l'exemple des élusifs neutrinos, ce type de particule élémentaire est uniquement sensible à l’interaction faible. Aussi, bien qu'ils soient nombreux (chaque seconde, chaque centimètre carré de notre corps est traversé par 65 milliards de neutrinos), ils sont également très difficiles à capturer.
Imaginez alors une "matière" dix mille fois plus abondante et pourtant encore moins sensible aux interactions. Comment la détecter ? La question reste ouverte et si vous trouvez une méthode, le Prix Nobel vous attend ! Le modèle du Big Bang inflationnaire confirmé
Voici quelques détails des analyses qui ont permis de confirmer le modèle du Big Bang lambda-CDM, inflationnaire et euclidien, ainsi que les propriétés de l'Univers.
L'univers visible contient seulement 4.9% de matière baryonique (total des protons, neutrons et hypérions) contre 26.8% de matière sombre et 68.3% d'énergie sombre.
La densité de la matière baryonique est connue avec une précision de 1.1%, celle de la matière sombre et froide avec une précision de 1.4% et celle de l'énergie sombre avec une précision de 3.7%.
En tenant compte de ces valeurs dans les équations cosmologiques, l'horizon de l'univers observable (qui varie en fonction du taux d'expansion de l'Univers) se trouve aujourd'hui à environ 13.79 milliards d'années-lumière ou 4233 Mpc.
Cela n'empêche pas l'Univers réel d'être beaucoup plus vaste. L'horizon cosmologique a été multiplié par ~1093 depuis l'époque du découplage et se situe aujourd'hui à 46.5 milliards d'années-lumière selon le modèle Standard tandis qu'il aurait enflé d'un facteur 101012 dans le modèle inflationnaire ! L'une comme l'autre sont des distances inconcevables...
Dans le modèle Standard, sur base des mêmes proportions de matière et d'énergie, cela correspond à environ 5.4 nucléons par mètre cube d'espace alors que Planck a porté cette valeur moyenne à 1 proton tous les centimètres cubes d'espace.
En tenant compte des valeurs de Planck, ce volume d'univers visible "pèse" environ 2.8x1054 kg et vingt fois moins (1.25x1053 kg) si on ne considère que la contribution des baryons.
A partir de ces derniers, on estime que l'univers contient quelque 1080 nucléons (et autant de photons), ce qui représente environ 1023 masses solaires ou cent mille milliards de milliards de Soleil.
Si on convertit la quantité de matière sombre en équivalent énergie, bien que la densité de l'énergie sombre (6.9x10-27 yg/m3) soit plus de 1300 fois plus faible que celle de la matière ordinaire (9.24x10-27 ykg/m3), elle domine à grande échelle du fait de son uniformité à travers tout l'univers.
A propos des limites du 1er paramètre concernant la densité de matière, Planck confirme que la densité de l'Univers est de 0.9995 ±0.0034, ce qui est compatible avec un Univers plat (modèle FRW), euclidien. Il n'est donc ni sphérique (rayon de courbure sup.0, densité sup.1) ni hyperbolique (rayon de courbure inf.0, densité inf.1). Dans notre univers, les lignes parallèles ne se rejoignent jamais à l'infini.
On en déduit également qu'il n'y a pas d'autres familles de neutrinos. Il n'existe que trois saveurs, aux tolérances près (3.3 ±0.28 contre 3.046 selon les prédictions) et leur masse globale est inférieure à 0.23 eV.
Les données de Planck confirment aussi les mesures de WMAP concernant l'asymétrie entre les températures moyennes des deux hémisphères. Cela suggère que l'Univers n'est pas homogène dans toutes les directions à une échelle supérieure aux observations.
Une explication serait que le rayonnement cosmologique nous est parvenu en suivant un cheminement plus complexe qu’on l'a imaginé jusqu’ici.
Les mesures de Planck confirment aussi l'anisotropie du pôle Sud, la "tache froide" étant même plus étendue qu'on l'escomptait.
Cette carte montre l’asymétrie entre les températures moyennes des deux hémisphères du ciel et la tache froide dans l'hémisphère sud. Document Planck - collaboration ESA.
Les mesures confirment aussi l'idée que les petites fluctuations quantiques furent légèrement plus intenses à grandes échelles qu'à petites échelles. WMAP avait relevé cette différence, mais Planck a confirmé sa valeur avec précision, renforçant les prédictions et la validité du modèle inflationnaire qui précise ces valeurs.
L'équipe de Planck en collaboration avec l'équipe BICEP2/Keck ont étudié la polarisation du rayonnement cosmologique par d'éventuelles ondes gravitationnelles amplifiées par le phénomène d'inflation.
L'équipe BICEP2/Keck avait en effet découvert en mars 2014 un signal polarisé (mode B) à 353 GHz dans le rayonnement à 2.7 K mais qui pouvait a priori être parasité par la présence de poussière de la Voie Lactée située à l'avant-plan.
Contribution de la poussière et de la matière sombre du halo à différentes époques de l'Univers. Document Planck - collaboration ESA. Notons que la composante gravitationnelle a été infirmée en 2016 : il ne s'agit que de l'effet de la poussière présente dans la Voie Lactée (voir fin de l'article).
Le signal étant également présent à 150 GHz, à cette fréquence on constate que la contribution supposée des lentilles gravitationnelles (en fait la matière sombre qui induit ces effets) est beaucoup plus importante (mais voir fin d'article car cette conclusion fut infirmée en 2016).
En 2014, on en conclut que le reste est d'origine cosmologique (en fait émit par des ondes gravitationnelles primordiales). Il fallait donc confirmer que cette polarisation était liée ou non à la présence de poussière interstellaire qui est omniprésente (elle dessine notamment la Voie Lactée et toutes les nébuleuses).
Les analyses confirment que les deux signaux sont globalement de même amplitude. Si on retire les contributions de la poussière galactique et de la matière sombre (principalement celle du halo galactique) à l'origine des lentilles gravitationnelles, le reste du signal paraît donc bien associé aux ondes gravitationnelles primordiales, ce qui est une découverte majeure (mais fausse, cf. fin d'article).
Les mesures de Planck sont conformes aux valeurs calculées par le modèle lambda-CDM ayant donné naissance aux grandes structures cosmiques que nous observons. Cela veut dire que jusqu'ici, la contribution de la poussière dans les mesures a été sous-estimée.
Enfin, la polarisation du rayonnement cosmologique confirme ainsi le phénomène d'inflation, une cerise de plus sur le gâteau.
Carte mixte de la poussière (en couleurs) et du champ magnétique galactique (lignes en relief) mesurés par Planck à 353 GHz. Le champ d'observation de BICEP2 est indiqué en pointillés blancs et se situe dans l'hémisphère sud. Ce champ contient peu de poussières (dans les bleus ciels et pas bleu foncé). Le signal polarisé permet clairement de tracer les lignes du champ magnétique galactique et ne peut être ignoré ni confondu avec une émission locale. Document Planck - collaboration ESA.
Les deux équipes Planck et BICEP2/Keck ont trouvé une limite supérieure pour le rapport des ondes gravitationnelles en fonction des fluctuations de densité de 0.08, légèrement inférieure aux résultats des analyses précédentes (0.12 et 0.11).
Une valeur plus faible est favorable à un modèle inflationnaire plus simple. Elle implique un modèle où l'inflation est engendrée par la décroissance d'un seul champ d'énergie, un champ qui diminua "lentement" comparé au taux d'expansion exponentiel de l'Univers (durant l'inflation l'univers s'est dilaté d'au moins 5 milliards de milliards de fois en 10 nano-nano-nano-nanosecondes, c'est pas si lent que ça !).
Le niveau d'énergie requis pour l'inflation était inférieur à 2x1016GeV, équivalent au niveau nécessaire pour unifier les interactions forte, faible et électromagnétique en une seule Théorie de Grande Unification ou GUT.
Autre correction qu'a permis Planck, l'ère stellaire qui suivit l'ère de la Recombinaison, durant laquelle nous assistâmes à la formation des protoétoiles, des protogalaxies et des quasars et où l'Univers des étoiles commença à briller a été réévalué.
WMAP indiquait qu'elle correspondait à un décalage Doppler vers le rouge (redshift z) de 10, ce qui correspond à 470 millions d'années après le Big Bang, mais Planck a retardé le début de cette ère à z= 8.8 ou 560 millions d'années après le Big Bang, il y a 13.2 milliards d'années.
Précisons que sur base de ces chiffres, durant l'intervalle z=8.8-10, H = 1255 km/sec/Mpc.
De même, le niveau d'annihilation de matière qu'on observe dans le coeur de la Voie Lactée supporte le modèle Standard et les valeurs observées dans le rayonnement cosmologique au détriment des théories alternatives (comme une émission gamma diffuse par exemple).
Concernant l'évolution de l'amplitude des fluctuations de densité (le 5eme paramètre du modèle lambda-CDM), également appelé indice spectral scalaire, il est relativement important car il décrit l'état de l'Univers à la fin de l'inflation.
Planck a mesuré une valeur de 0.968 ce qui veut dire que l'amplitude des fluctuations est légèrement plus grande à grandes échelles que ce que prédisent la plupart des modèles inflationnaires. Cette différence produit un léger effet sur le taux de formation des galaxies au cours du temps.
Reste la question étrange des petits amas de galaxies qui manquent à notre inventaire cosmique. L'équipe de Planck a bien trouvé certaines petites bosses ou irrégularités dans le rayonnement cosmologique qu'on peut associer à des fluctuations de la distribution de la matière dans l'Univers primordial.
Mais Planck prédit 2.5 fois plus d'amas que ce que les astronomes observent. Il peut s'agir d'erreurs dans les estimations comme il peut tout aussi bien s'agir des effets d'une nouvelle physique. La question reste ouverte, une de plus parmi les dizaines d'autres de la cosmologie.
Quant aux théories exotiques expliquant le Big Bang, comme celle faisant par exemple appel à des collisions entre branes de dimensions supérieures, elles ne prédisent pas une telle polarisation. Et c'est l'une des raisons pour lesquelles Planck fut construit. Les résultats vont donc au-delà des espérances. En résumé
Toutes les valeurs mesurées et affinées par Planck sont en accord avec les observations antérieures du rayonnement cosmologique à 2.7 K. Complétées par la confirmation de quelques découvertes faites au sol, elles confirment que le modèle cosmologique Standard inflationnaire est non seulement correct et cohérent mais s'accorde parfaitement avec la constante cosmologique lambda-CDM.
En d'autres termes, l'Univers est né au cours d'un phénomène de Big Bang inflationnaire dont nous retrouvons aujourd'hui l'empreinte à grande échelle dans la fuite apparente des galaxies, des superamas, la polarisation du rayonnement diffus cosmologique et l'énergie sombre, et à petite échelle dans l'existence même des particules élémentaires et des étoiles individuelles sans lesquelles rien n'existerait à part le vide et les photons.
Il reste évidemment des questions ouvertes et des inconnues ainsi que des constantes dans les équations dont les physiciens aimeraient bien se débarrasser.
Mais c'est également le but de la Science d'essayer d'y répondre et notamment aux questions encore métaphysiques : pourquoi le Big Bang a-t-il eu lieu, qu'y avait-il avant le Big Bang ainsi qu'à la question ultime : pourquoi sommes-nous là à nous poser la question ? Les réponses viendront.
PS. Les résultats de la mission Planck ont été présentés au cours de la Conférence Planck qui s'est tenue à Ferrara, en Italie en décembre 2014 mais les articles d'analyses n'ont été publiés que le 5 février 2015. Dernières nouvelles
Suite à des contre-analyses des données de l'expérience BICEP2, des astronomes ont confirmé début 2016 dans le magazine "Nature" que la polarisation en mode B ne provient pas des ondes gravitationnelles comme cela fut publié mais de la poussière interstellaire omniprésente dans la Voie Lactée, ce que certains chercheurs avait déjà suggéré en 2014.
