
Amas de galaxies
Quels sont exactement les objectifs des lancements simultanés de deux satellites d'observation de l'Univers – Planck et Herschel - par une fusée Ariane 5 jeudi 15 mai depuis la base de Korou en Guyane? Pour répondre en partie à cette question, je vous propose ce voyage scientifique aux confins de l'Univers, compilation de divers articles sur le sujet.
Le premier est la dépêche AFP relatant le lancement des deux satellites, les deux suivants sont des articles écrits il y a quelques années lorsque j'étais journaliste scientifique mais dont le contenu est toujours d'actualité même si les technologies mises en oeuvre pour explorer l'Univers avancent à pas de géant.
Cette synthèse a pour but d'expliquer les recherches des astrophysiciens sur les premiers instants de l'Univers - quelques centaines de milliers après le big-bang -, sur l'Univers froid (ou fossile) et les ondes submillimétriques qui sont les témoins de plus en plus “bavards” des origines de l'Univers.

Stephans's Quintet (amas de galaxies)
“À mon sens, l’enjeu de l’astrophysique est aussi un enjeu philosophique. Je suis de ceux qui pensent que la formation sur les questions fondamentales que soulèvent l’astrophysique et la physique devrait irriguer le tissu social. "Guy Serra, astrophysicien français spécialiste de l'Univers fossile
Le satellite Planck, chargé d'étudier le rayonnement cosmologique pour mieux comprendre les débuts et le destin de l'Univers, et l'observatoire Herschel, qui étudiera la formation des étoiles ont été lancé jeudi depuis la base de Kourou, en Guyane française.

Le satellite Planck
http://www.cesr.fr/spip.php?article712

Le satellite Herschel
http://www.cesr.fr/spip.php?article714
Afin d'étudier l'univers lointain dans des conditions optimales et inédites, les deux satellites, une fois largués par la fusée Ariane 5, prendront place à 1,5 million de km de la Terre en direction opposée au Soleil, autour duquel ils tourneront en même temps que notre planète. Cette position permettra à ces instruments ultra-sensibles et refroidis à des températures proches du zéro absolu (-273,15°C) de ne pas être gênés par la chaleur ou l'ombre de la Terre, comme le télescope spatial Hubble. L'observatoire Herschel, le plus grand jamais envoyé dans l'espace avec un miroir primaire d'un diamètre de 3,50 mètres, regardera des étoiles jusqu'à présent trop lointaines pour être observées ainsi que, dans l'univers proche, des nuages moléculaires pour comprendre la formation des jeunes étoiles.
Amas de galaxies
"On comprend encore très mal comment les étoiles se forment dans le nuage interstellaire", a expliqué le directeur de l'Institut d'astrophysique de Paris, Laurent Vigroux, lors d'une présentation organisée par le Centre national d'études spatiales (Cnes) fin mars à Paris. "Jusqu'à maintenant, on n'arrivait pas à voir" ces poussières dont la température ne dépasse pas 50 degrés Kelvin (-223°C), précise M. Vigroux.
Les trois instruments embarqués à bord d'Herschel utiliseront le rayonnement infrarouge lointain et submillimétrique pour détecter les corps célestes les plus froids, qui dégagent le moins d'énergie. Pacs et Spire, les deux caméras de bolomètres embarquées sur Herschel, enregistrent d'infimes variations du rayonnement électromagnétique. Comme Hifi, son spectromètre à haute résolution dédié à la chimie de l'univers, elles sont placées dans de l'hélium à une température proche du zéro absolu, qui s'évaporera progressivement. Le froid est indispensable car "en se réchauffant, les instruments émettent des rayonnements et perturbent eux-mêmes leurs mesures", a expliqué à l'AFP Jean Dauphin, directeur de l'observation de la Terre d'EADS Astrium. La durée de vie prévue d'Herschel est de trois ans minimum, durant lesquels de nombreuses équipes d'astronomes du monde entier se partageront le temps d'observation.
De son côté, le satellite Planck a pour mission d'étudier des variations de l'ordre du millionième de degré du rayonnement fossile de l'univers, une lumière émise 380.000 ans après sa naissance. Une fois dressée, la carte des fluctuations de ce rayonnement, aussi appelé fonds cosmologique diffus, devrait permettre de faire progresser la connaissance sur la géométrie de l'univers, le rythme de son expansion et au bout du compte son éventuel repli sur soi (Big Crunch), la nature et la quantité de matière noire. Planck, dont la durée de vie prévue est de 15 mois, "est à la frontière entre la cosmologie et la physique fondamentale", a souligné Jean-Loup Puget, de l'Institut d'astrophysique spatiale (2). Troisième satellite d'observation du fonds cosmologique diffus, Planck, fruit d'une collaboration entre la Nasa et l'Agence spatiale européenne (Esa), observera en un an ce que son prédécesseur WMAP aurait accompli en 450 ans.
Voyage aux sources de l'Univers
L’EFFET Sunyaev-Zeldovitch, sans doute n’en avez-vous jamais entendu parler. Mieux vaut tard que jamais, si vous voulez comprendre l’importance de la découverte des astrophysiciens français. Du nom de deux chercheurs soviétiques, ils désignent leur théorie du début des années soixante-dix. Celle-ci prévoyait une modification du spectre du rayonnement du fond du ciel dans la direction des amas de galaxies. Les amas devant apparaître brillants dans le domaine submillimétrique et plus sombres que le ciel dans les ondes millimétriques. De quoi s’agit-il exactement?
L’Univers tel que nous le percevons aujourd’hui résulte d’une longue évolution. Depuis une quinzaine de milliards d’années, une expansion s’accomplit; elle a succédé à la singularité du big bang. Dans les phases très primitives de cette expansion (lors du premier million d’années), l’Univers était très dense et chaud, opaque aux rayonnements électromagnétiques, au point que les atomes ne pouvaient pas exister durablement. Avec l’expansion, la densité et la température diminuant, une transition rapide s’est produite, les atomes ont pu se former et devenir stables. A ce moment-là, l’Univers est devenu transparent et son «rayonnement de corps noir» a survécu. Aujourd’hui, ce dernier baigne tout l’Univers et constitue l’essentiel du rayonnement du fond du ciel nous parvenant depuis toutes les directions. On l’appelle parfois «rayonnement fossile cosmologique», dernier témoin de cette époque très ancienne.
Le rayonnement fossile, témoin de l’enfance de l’Univers

300.000 ans après le big-bang
Ce rayonnement peut toutefois être affecté par les hasards de ses rencontres! Ainsi Sunyaev et Zeldovitch ont prévu que la traversée des immenses espaces qui séparent les galaxies regroupées en amas pouvaient modifier le spectre de ce rayonnement. Ces immenses espaces, plus vides que les meilleurs vides fabriqués en laboratoire, sont parcourus par des électrons (particules élémentaires présentes dans tous les atomes) animés de vitesses colossales. Ces électrons vont interagir avec quelques-uns des photons (sortes de grains de lumière, constituants du rayonnement électromagnétique) du rayonnement fossile.
Les électrons cèdent alors de l’énergie, de sorte que ces interactions donnent naissance à de nouveaux photons plus énergétiques, décalés vers les plus hautes fréquences: c’est l’effet S-Z. Ainsi, une mesure relative, par rapport au ciel environnant, de l’intensité du rayonnement fossile cosmologique, fera apparaître, dans la direction d’un amas, un excès dans le domaine submillimétrique (l’Univers froid) et une déficience dans le millimétrique. Cette dernière est observée, depuis quelques années, sur certains amas, par plusieurs équipes dans le monde, dont une en France, avec le projet «Diabolo». Mais la détection de la partie positive de l’effet S-Z avait jusque-là obstinément échappé à toutes les tentatives.
Un milliard de fois moins que la lumière d’une bougie
Après avoir analysé les images submillimétriques de nuages interstellaires et découvert des condensations froides de matières interstellaires dans notre galaxie (véritables berceaux de futures étoiles) l’équipe française de Pronaos-SPM a poussé plus loin ses investigations. Elle a entrepris d’analyser soigneusement les observations faites dans la direction d’amas de galaxies pour tenter de mettre en évidence la partie positive de la distorsion prévue par Sunyaev et Zeldovitch. Il semble qu’elle y soit parvenue! Il faut dire que cette détection est extrêmement difficile. La puissance qui lui est associée a une valeur plus faible qu’un milliardième de fois celle correspondant à la lumière d’une bougie!
Des quatre amas observés par Pronaos afin de «visualiser» le phénomène, seule l’observation de l’amas 2163 du catalogue de l’astronome Abell a permis ce résultat. Sur les trois autres amas, les mesures ont subi des perturbations d’origine cosmique.
«La mesure de l’effet S-Z est lourde de potentialités», explique Guy Serra, responsable scientifique de Pronaos. «D’abord parce qu’elle confirme à la communauté scientifique mondiale que sa représentation de l’Univers paraît conforme à la réalité. Ensuite, parce qu’elle va permettre d’en savoir davantage sur l’histoire et la morphologie des grandes structures de l’Univers.
Elle devrait ainsi permettre, entre autres, de préciser la «constante de Hubble», qui mesure le rapport entre la vitesse de récession des corps célestes et la distance qui les sépare de la Terre. On sait qu’à grande échelle, plus un corps est éloigné de nous, plus il s’éloigne vite. Mais la constance de ce rapport n’a pu être jusqu’ici mesurée avec précision par les astronomes.» Ainsi, grâce à la multiplication des mesures rendues possibles par Pronaos, comprendre pourquoi et comment l’Univers si homogène dans le passé est devenu aussi hétérogène et structuré aujourd’hui, n’est plus un vain rêve. Et pour les chercheurs français, à l’origine de cette première mondiale, les réponses à ces questions paraissent désormais à portée de main.
Ecrit avec l'aide de Guy Serra, astrophysicien au CESR (Centre d'études spatiales des rayonnements, labo du CNRS) spécialiste de l'Univers fossile (3)
Le 24 décembre 1997

Galaxie spirale
L'étude des galaxies lointaines
Des astrophysiciens français ont observé le coeur de galaxies naines situées entre sept et dix milliards d’années-lumière. Compactes et lumineuses, elles pourraient être les ancêtres des galaxies spirales actuelles. L’étude de leur histoire peut contribuer à comprendre l’histoire de la vie.
Grâce au télescope spatial Hubble et au VLT (Very large Télescope), situé au mont Paranal au Chili (le plus grand téléscope au sol et le plus récent du monde), des astrophysiciens français, dont François Hammer et Nicolas Gruel de l’observatoire Paris-Meudon, associés à un Américain et à un Chilien, viennent d’observer pour la première fois des galaxies lointaines jusqu’alors très mal connues. Ces amas d’étoiles, de gaz et de poussières sont qualifiés de " galaxies naines ", ou galaxies compactes lumineuses (LCG), parce que quatre fois moins volumineuses que les galaxies massives actuelles. De morphologie mal définie, ces LCG résultent elles-mêmes de la rencontre de corps de moindre dimension, en interaction ou carrément en train de fusionner, l’un tombant sur l’autre. En comparant les spectres infrarouges émis par ces groupes d’étoiles, les chercheurs ont déduit qu’ils venaient probablement d’assister en direct à la formation du bulbe originel de galaxies beaucoup plus massives et plus récentes : les galaxies spirales.

Images de trois galaxies à une époque d'environ la moitié de l'âge de l'univers
Imaginez vous un instant l’oeil collé à l’oculaire du télescope spatial Hubble. Son objectif fixe un champ d’univers très profond. Plus vous regardez loin, plus vous regardez tôt dans l’histoire de l’évolution. Hubble voit des corps situés à des distances maximales de 10 milliards années-lumière, soit quelque cinq milliards d’années après le fameux point de départ supposé de l’univers, le " big bang ". Au-delà de cette distance, Hubble devient aveugle : il ne distingue plus d’objets dans le spectre visible de la lumière.
En revanche, d’autres instruments (spectromètres et interféromètres), qui enregistrent dans toutes les longueurs d’onde, détectent des objets très éloignés. Ces instruments avaient déjà permis de repérer l’existence de ces galaxies primitives (LCG), mais de manière encore très approximative. Grâce à Hubble donc, François Hammer et ses collègues ont pu observer pour la première fois la morphologie de quatorze de ces galaxies compactes lumineuses (LCG). Leur forme - deux galaxies naines en interaction ou en train de fusionner - a intrigué les chercheurs, car ils tenaient jusqu’ici ces objets très lumineux pour éphémères et pauvres en formation d’étoiles. Grâce au VLT, ils ont par ailleurs pu mesurer des émissions indiquant la présence d’éléments lourds (carbone, fer, cyanure, calcium…) dans les poussières enveloppant le cour chaud de ces LCG. En l’occurrence des poussières " froides ", dont la température est proche du zéro absolu (- 271 øC). Pour François Hammer, cette découverte est essentielle : " Les poussières absorbent la lumière provenant des étoiles chaudes et la réémettent dans l’infrarouge. Ces émissions sont si intenses que le cour des LCG doit nécessairement être le siège de très nombreuses étoiles en formation. "
Après étude, il s’avère que ces objets produisent en moyenne quarante fois plus d’étoiles que le coeur d’une galaxie actuelle. Le taux de formations stellaires dans l’univers, il y a dix milliards d’années, était donc beaucoup plus important qu’on ne le pensait. Par ailleurs, comme la masse totale de ces objets primitifs (beaucoup plus nombreux à cette période qu’aujourd’hui) reste similaire à celle du bulbe des galaxies spirales actuelles, les astrophysiciens en déduisent que les LCG sont probablement les ancêtres de certaines de ces galaxies actuelles. Ces dernières (qui représentent environ 70 % de la population galactique présente aujourd’hui dans le cosmos et dans les cinq derniers milliards d’années de l’univers) sont constituées d’un immense disque de gaz et de poussières qui gravitent autour d’un noyau très chaud et très énergétique.

Le coeur de la galaxie d'Andromède (très proche de la Voie Lactée)
Dans le spectre visible observé par Hubble, certaines LCG présentent d’ailleurs un halo lumineux qui ressemble à l’amorce d’un disque galactique. Les observations semblent montrer qu’il faudrait environ un milliard d’années pour que le bulbe d’une galaxie spirale se forme et quelques milliards d’années de plus pour que les bras spiraux se développent à leur tour. " Les bras spiraux de la Voie lactée dans laquelle nous vivons ont huit milliards d’années, ils se sont formés lorsque l’univers avait la moitié de son âge actuel. Cela correspond à nos observations ", se félicite François Hammer. Pour l’astronome, cette relative jeunesse des galaxies spirales corrobore le scénario " hiérarchique " de la formation des galaxies, prévoyant qu’elles se sont formées progressivement par fusion de galaxies plus petites, et non spontanément et tôt, dans l’histoire de l’univers (scénario dit " monolithique ").

Beauté des galaxies spirales
Comment est-on passé d’une forme galactique très compacte à une morphologie beaucoup plus distendue et néanmoins très " organisée "? Dans l’espace, ont sait que les corps exercent les uns sur les autres des forces d’attraction (de la périphérie vers le centre), tandis que l’expansion exerce une force centrifuge (du centre vers la périphérie) qui tend à séparer les objets de l’univers. Ces forces contradictoires sont présentes de façon conjointe dans tout l’univers, donc aussi au moment de la naissance des galaxies spirales. En observant ces phénomènes de va-et-vient cosmiques, baptisés " effets de marée ", en mesurant les masses, la vitesse des vents, la dynamique des gaz, l’abondance des éléments lourds qu’ils recèlent, les astrophysiciens vont tenter de reconstituer cette généalogie complexe des galaxies.
Dans quelles conditions particulières aboutit-on, par exemple, à l’apparition d’un disque et de bras spiraux? Quelles conditions doivent être réunies pour obtenir ce résultat et non un autre? Qu’est-ce qui, dans la dynamique des galaxies spirales, fait tendre vers des structures de plus en plus complexes? Autant d’interrogations qui appellent des mesures instrumentales encore plus fines et précises de tous les phénomènes d’interaction mis en en jeu dans l’espace-temps, tant au niveau macroscopique qu’au niveau microscopique.

Simulation de la répartition de la matière dans un cube d'Univers
Mais chercher à répondre à ces questions, c’est aussi chercher à comprendre comment l’évolution des galaxies a débouché sur l’apparition de la vie. Est-il possible qu’ailleurs dans l’univers les fusions répétées d’éléments divers aient débouché sur la vie telle que nous la connaissons? Dans ce cas, dix milliards d’années suffisent-elles ou en faut-il davantage? Quel rôle le temps a-t-il joué? Dans l’espace, où le vide qui sépare les étoiles, les galaxies et les amas de galaxies est très étendu, il y a très peu de chances pour qu’un atome et une molécule se rencontrent. C’est pourtant ainsi que se forment les molécules complexes, le plus souvent dans d’intenses collisions, comme celle de deux galaxies. Les poussières froides du milieu interstellaire jouent probablement un rôle important. Très ténues en gaz, elles sont si froides qu’elles aimantent les atomes et les molécules, et forment une calotte de glace, composée en partie d’azote, où vont naître des molécules plus complexes. Ces objets ont été baptisés " glaces moléculaires ".
L’étoile née dans ce cocon de poussières expulse toutes les molécules en phase gazeuse, qui vont à leur tour alimenter les nuages interstellaires d’autres galaxies et d’amas de galaxies, et ainsi contribuer à la diversité chimique de l’univers. Cependant, le principe qui permet aux éléments de se diversifier reste une énigme. On peut néanmoins constater que la dilatation et le refroidissement dus à l’expansion de l’univers - en dé-densifiant la matière - ont créé une des conditions de la diversité. Sans cette flèche thermodynamique (du chaud vers le froid), l’univers serait toujours chaud et opaque, sans atomes constitués, sans différenciations. Savoir comment les galaxies spirales se structurent, selon quelles lois, peut donc aider à appréhender les processus impliqués dans la transformation de la matière, sous toutes ses formes, même les plus évolués...
Les galaxies primitives que forment les LCG contenaient, outre des corps lourds, de l’hélium, de l’azote, de l’oxygène et de nombreuses molécules complexes, prébiotiques, nécessaires à la vie. Mais expliquer comment cette dernière a surgi est une autre affaire… Comprendre comment les galaxies spirales se sont constituées, étudier leur dynamique dans l’espace et le temps, traquer les différents stades de leur évolution pourra sans doute aider les biologistes à expliquer par quels processus la vie est apparue quelque part dans la Voie lactée, autour du Soleil - sur la Terre-, il y a 3,8 milliards d’années, date des premiers fossiles d’organismes vivants (unicellulaires) connus.
Le 10 février 2001
(1) Le coût de ces missions est d'un milliard d'euros pour Herschel et de 600 millions d'euros pour Planck, lancement et opérations compris, selon l'ESA.
(2) Sur la cosmologie, cf. les travaux de J.P. Luminet : L’Univers chiffonné, Fayard, 2001. Jean-Pierre Luminet est directeur de recherche au CNRS (Département d’astrophysique relativiste et cosmologie) à l’observatoire de Paris-Meudon.
http://www.humanite.fr/2001-06-11_Societe_-L-espace-est-il-soluble-dans-la-raison-Avec-l-Univers-chiffonne
(3) Guy Serra nous a quitté le 15 août 2000 emporté par la maladie à l'âge de 53 ans. Il était non seulement une “pointure” dans son domaine de compétence
mais un homme d'une grande modestie et d'une grande gentillesse, fils et petit-fils de forgerons.
(4)Les galaxies, structures et amas : http://www.san-fr.com/////queyras/aq_gala1.php
La plus grande simulation jamais réalisée de la formation des structures de l'Univers
Une équipe de chercheurs français, sous la direction de Romain Teyssier, astrophysicien au CEA (Service d'Astrophysique, CEA-DAPNIA), a mené à terme, dans le cadre du “Projet Horizon ”, la plus grande simulation jamais réalisée de la formation des structures de l’Univers. Cette simulation, qui s’est appuyée sur le nouveau supercalculateur BULL du Centre de Calcul Recherche et Technologie (CCRT), va permettre aux astrophysiciens de comparer leurs modèles aux observations astronomiques avec un réalisme sans précédent. Les premières images permettent une exploration virtuelle de l'univers avec une précision jamais encore atteinte.
L'animation se trouve dans le lien ci-dessous (The Horizon Simulation) :
http://www.projet-horizon.fr/www.projet-horizon.fr/article323.html
Documents annexes:
Le satellite Planck
http://public.planck.fr/premiers_instants.php
Le satellite Herschel
http://www.lemensuel.net/2009/03/13/la-quatrieme-pierre-angulaire-de-l%E2%80%99agence-spatiale-europeenne-hersche
Les distances dans l'Univers :
http://www.planck.fr/article440.html
Le fond diffus cosmologique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fond_diffus_cosmologique
Voyage au centre de la galaxie (animation)
http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=2547
Une nouvelle théorie pour la formation des galaxies (février 2009) :
http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=actu&id_ast=2541
Galerie d'images de l'Univers
http://sscws1.ipac.caltech.edu/Imagegallery/cat.php?cat=Astronomical%20Images
Photos de galaxies spirales
http://www.noao.edu/image_gallery/spiral_galaxies.html
Atlas de l'Univers
http://atunivers.free.fr/
Et beaucoup d'autres images, videos et animations
http://www.eso.org/public/
Sue le Big Bang :
http://www.astrosociety.org/education/publications/tnl/37/37f.html
Histoire de la matière, du Big Bang aux planètes
http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/histoire-de-la-matiere-du-big-bang-aux-planetes_506/c3/221/p1/

Fusion de galaxies

Anneau de matière noire dans un amas de galaxies