Nos yeux ont acquis au fil de l’évolution des capacités exceptionnelles. Ils peuvent percevoir une bougie à plusieurs dizaines de kilomètres, adapter leur forme pour rendre l’objet observé le plus net possible selon qu’il soit proche ou éloigné, différencier des millions de nuances colorées et nous permettre ainsi d’accéder directement à la beauté du monde qui nous entoure.

Néanmoins, tout perfectionnés qu’ils soient, ils n’en comportent pas moins quelques défauts. Le principal étant sûrement qu’ils ne nous permettent d’observer qu’une infime partie des rayons lumineux que comporte le spectre électromagnétique.

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Le spectre électromagnétique.

 

Adaptés au Soleil qui émet principalement autour du jaune, ils détectent des longueurs d’onde allant de 380 nm ce qui correspond au bleu, à 780 nm ce qui correspond au rouge. Or il existe toute une gamme de longueurs d’onde en dehors de ce créneau. Au-delà du rouge, on trouve les infrarouges, les micro-ondes et les ondes radios et au-delà du bleu se trouvent les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.

1) Les ondes radio

D’une longueur d’onde supérieure à 1 m, cette sorte d’onde a été la première, en dehors du visible, à être utilisée pour observer le ciel. Les ondes radio sont en effet, les seules avec la lumière visible à pouvoir traverser l’atmosphère.

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De gauche à droite, la longueur d’onde du signal augmente (et donc la fréquence diminue).

Ces ondes permettent de détecter des zones chaudes comme des pulsars ou des quasars mais ne sont pas émises directement. Elles sont effet produites par un phénomène appelé rayonnement synchrotron.

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Animation représentant un pulsar et l’intensité lumineuse reçue en fonction du temps.

Si une étoile à neutrons tourne rapidement sur elle-même, elle engendre un fort champ magnétique qui courbe les trajectoires de particules chargées. Lors de ce phénomène, de grandes intensités d’ondes radio sont émises : c’est ce que l’on nomme le rayonnement synchrotron. Ces étoiles à neutrons en rotation rapide sont appelées pulsars et ont été détectées pour la première fois grâce aux ondes radio en 1967.

Quelques années auparavant, un type d’objet bien plus imposant avait été décelé grâce à la radio-astronomie. Des sources radio mystérieuses furent détectées dans les années 50 sans qu’il soit possible de les rattacher à un quelconque objet lumineux. Il fallut attendre les années 60 pour qu’un objet optique soit observé dans la même direction que la source radio. Toutefois, en analysant le spectre lumineux émis par l’objet, une chose incroyable fut mesurée : les raies d’émission, d’habitude à peu près toujours les mêmes d’une étoile à une autre, présentaient ici des caractéristiques totalement inconnues.

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Raies d’émission et d’absorption de l’hydrogène.

Il aurait fallu invoquer un décalage des raies vers le rouge complètement disproportionné pour expliquer le spectre obtenu. Toutefois lorsque les découvertes s’accumulèrent, il fallut se rendre à l’évidence : les objets subissaient un effet Doppler démentiel et s’éloignaient donc de nous à une vitesse faramineuse (37% de la vitesse de la lumière pour le premier objet observé).

L’effet Doppler est l’augmentation ou la diminution de la fréquence d’une onde due au déplacement de la source par rapport à l’observateur. L’effet Doppler sonore s’entend lorsqu’une ambulance passe à proximité : lorsque l’ambulance s’approche, le son est plus aigu et lorsqu’elle s’éloigne, le son est plus grave. L’effet Doppler lumineux entraine le même genre d’observation : un objet qui s’approche de nous apparaît plus bleu et un objet qui s’éloigne plus rouge. Néanmoins, pour que l’effet lumineux soit observable, il faut que les vitesses mises en jeu soient énormes.

Un tel effet Doppler ne pouvait signifier qu’une seule chose : les objets observés étaient très éloignés et donc très gros. Aussi gros qu’une galaxie… On les nomma quasars et on les décrivit comme des galaxies très énergétiques où d’intenses champs magnétiques nous envoient des ondes radio en grande quantité par rayonnement synchrotron.

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Vue d’artiste d’un quasar.

2) Les micro-ondes

C’est dans le domaine des micro-ondes que l’on peut observer le rayonnement fossile de l’univers. Il s’agit de la toute première lumière émise après le Big Bang. Les points de l’espace qui nous envoie cette lumière sont très éloignés ce qui fait que leur lumière ne nous parvient que maintenant. Et comme l’univers est en expansion homogène, une galaxie située à une très grande distance s’éloigne de nous à très grande vitesse. La lumière qu’elle émet subit alors un effet Doppler tellement grand que sa fréquence diminue jusqu’au domaine des micro-ondes. On observe ainsi un rayonnement dit fossile.

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Carte du ciel illustrant le rayonnement fossile. Les zones rouges sont plus froides que les zones bleues.

Les fluctuations en longueur d’onde et en intensité de ce rayonnement permettent d’étudier la répartition de la matière dans l’Univers

3) Les infra-rouges

De nombreux objets émettent des ondes électromagnétiques dans le domaine des infra-rouges. C’est le cas notamment de certaines galaxies irrégulières.

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NGC1427A : une galaxie irrégulière située à 52 millions d’années-lumière

Le rayonnement infrarouge renseigne notamment sur les zones où la production d’étoile est la plus forte. On a ainsi pu détecter des galaxies très actives où de très nombreuses étoiles se formaient simultanément. Ce taux gigantesque de formation est tellement grand que les réserves de gaz de la galaxie s’épuisent à toute vitesse, ce qui porte à penser que cette phase d’explosion démographique stellaire est une phase très temporaire. On dit de ces galaxies qu’elles connaissent un sursaut de formation d’étoiles.

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M82 : une galaxie à sursaut de formation d’étoiles

4) Les ultra-violets

À plus haute énergie, on trouve les ultra-violets qui signent la présence d’astres très chauds comme les géantes bleues.

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La brûlante Alcyone, géante bleue et étoile la plus brillante des Pléiades.

D’une température de surface de 13.000 K, Alcyone émet principalement des ultraviolets en consommant ses réserves d’hydrogène. L’observation en ultraviolet permet également de déterminer la composition chimique du milieu interstellaire et de faire apparaître de nombreux détails dans les objets observés.

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La galaxie M81 observée en visible à gauche et en ultraviolets à droite.

5) Les rayons X

En montant encore dans les gammes d’énergie, on atteint le domaine des rayons X. Ces rayons qui permettent de sonder le corps humain sans contact sont aussi de formidables messagers astronomiques. Ils renseignent sur des phénomènes de haute énergie qu’ils aient lieu sur la surface du Soleil ou au sein de galaxies très éloignées.

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Quatre observations du Soleil dans des domaines optiques différents.

Les rayons X étant absorbés par l’atmosphère, seuls des satellites peuvent effectuer des observations dans ce domaine spectral. Les principales sources de rayons X sont les étoiles à neutrons et les trous noirs. Ainsi, on détecte des rayons X en provenance de certains systèmes binaires composés d’une étoile de taille moyenne et d’une étoile à neutrons beaucoup plus compacte. Lorsque la période de rotation devient suffisamment courte, la première étoile tombe sur l’étoile à neutrons en se faisant complètement disloquer. La matière stellaire forme alors un disque autour de l’astre compact. Dans ce disque, la matière subit d’énormes frottements ce qui fait grimper sa température entrainant une émission intense de rayons X.

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Vue d’artiste d’un binaire X. Une étoile à neutrons (en haut à gauche) aspire le contenu d’une étoile de taille moyenne (en bas à droite). Un disque d’accrétion se forme et un rayonnement X intense est produit.

6) Les rayons gamma

Très énergétiques et très pénétrants, les rayons gammas sont très difficiles à arrêter et à mesurer directement dans un détecteur. Pour détecter leur présence, on a recours à des méthodes plus indirectes comme les cascades de particules.

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Carte du ciel en vision gamma.

Lorsqu’un rayon gamma arrive sur une molécule de l’atmosphère terrestre, il interagit fortement avec la matière : de nouveaux photons sont produits, des électrons sont arrachés à leurs atomes, des particules massives sont émises… L’énergie faramineuse du rayon gamma est transformée en particules (protons, électrons, muons…) de grande vitesse qui, à leur tour, vont entrer en collision avec d’autres molécules de l’atmosphère. S’ensuit une réaction en chaîne pendant laquelle des milliers de particules sont produites.

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Simulation d’une cascade de particules.

L’astronomie gamma permet de détecter les événements les plus cataclysmiques de l’Univers. De mystérieux jets de rayons gamma sont parfois détectés dans une direction particulière pendant quelques secondes. On appelle ces phénomènes des sursauts gamma et on cherche encore quel genre de catastrophe cosmique pourrait en être l’origine… Une chose est certaine, ces événements ont lieu à des distances incroyables et sont cataclysmiques. Souhaitons qu’un tel accident ne se produise pas dans les environs de la Terre prochainement !

7) Les particules cosmiques

Tous les rayonnements évoqués ci-dessus sont de type électromagnétique. La seule chose qui les différencie est la longueur d’onde du phénomène : très grande pour les ondes radio et très petite pour les rayons gamma. Un autre type de sonde permet toutefois de scruter l’univers : il s’agit des particules cosmiques.

À travers l’espace, circulent en effet toutes sortes de messagers : des protons, des noyaux chargés, des neutrinos… Pour les deux premiers types, la détection est assez similaire à celle des rayons gamma. Lorsqu’ils pénètrent dans l’atmosphère, ces noyaux créent une réaction en chaîne conduisant à la formation d’une cascade de particules secondaires. L’énergie énorme du processus pousse ces particules secondaires à des vitesses supérieures à celle de la lumière dans l’air (mais bien sûr inférieures à la vitesse de la lumière dans le vide, qui représente la vitesse maximale de tout objet).

Si un avion vole plus rapidement que la vitesse du son, des ondes de choc sont émises. De la même manière, les particules secondaires voyageant plus vite que la vitesse de la lumière, des ondes lumineuses sont émises : c’est l’effet Tcherenkov. Cela permet de mettre en évidence la cascade de particules et donc d’affirmer qu’une particule cosmique est entrée dans l’atmosphère.

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La lumière bleutée des réacteurs nucléaires est due à l’effet Tcherenkov.

Ces particules cosmiques proviennent du Soleil pour les moins énergétiques d’entre elles mais certaines peuvent venir du fin fond de la galaxie voire, pour les plus énergétiques, de galaxies très éloignées. Ces dernières fournissent des informations sur des objets très variés : trous noirs, hypernovas, sursauts gamma…

Enfin, d’autres particules beaucoup plus fugaces comme les neutrinos nous donnent accès à l’intérieur même des étoiles. En effet, une fois émis, les neutrinos n’interagissent que très peu avec la matière et sortent sans encombre de l’astre qui leur a donné naissance. Toute la difficulté est de réussir à les coincer dans nos détecteurs…

Les ondes gravitationnelles

Pour finir, un nouveau mode d’observation de l’Univers verra sûrement bientôt le jour, vu les dernières avancées. Il s’agit des ondes gravitationnelles. Lorsque deux objets denses (comme des étoiles à neutrons) fusionnent, le tissu même de l’espace en est affecté et des ondes de gravité sont émises. Une nouvelle image de l’Univers se formera alors devant nous si nous parvenons à perfectionner la détection de ces ondes devenues infimes après leur long voyage jusqu’à la Terre.

  • Cet article est inspiré de l’ouvrage Big bang et au-delà d’Aurélien Barrau dont le plan est le suivant :
  1. Peut-on comprendre l’Univers ?
  2. Les visages multiples du cosmos
  3. Les fondements observationnels du Big Bang
  4. Les fondements théoriques du Big Bang
  5. Les trous noirs : des laboratoires d’étude pour l’Univers
  6. Un bain de particules élémentaires
  7. Les difficultés du Big Bang : matière et énergie noires
  8. L’actualité brûlante : les résultats du satellite Planck
  9. Au-delà du Big Bang : théorie des cordes et gravitation quantique
  10. Le multivers