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01/09/2012

La Voie lactée ouvre son cœur aux astrophysiciens bisontins

La Voie lactée ouvre son cœur aux astrophysiciens bisontins

 

Un bulbe en forme de sphère aplatie et une barre allongée à l'allure de cigare : voilà à quoi ressemble le cœur de la Voie lactée. Une conclusion établie avec certitude par les chercheurs de l'Observatoire des sciences de l'Univers THETA de Franche-Comté (ex-Observatoire de Besançon), perfectionnant ainsi le scénario de formation de notre galaxie.

 

La décomposition de la lumière émise sur toute la région centrale de la Voie lactée révèle en effet deux populations d'étoiles bien différentes en termes de métallicité, composition chimique, cinématique…, preuves d'une nature et d'une histoire propres à chacune d'elles. Ce résultat est obtenu d'après un relevé des étoiles établi par les États-Unis dans le proche infrarouge, qui, se jouant des nuages de poussières interstellaires les masquant dans le domaine du visible, est apte à mettre en évidence leur brillance et leur couleur, et ainsi d'en déduire leurs caractéristiques. Ces mesures photométriques corroborent les hypothèses avancées par les astrophysiciens bisontins, testées selon une modélisation de la Voie lactée créée voilà trente ans à l'Observatoire, sans cesse enrichie et affinée depuis. Le « Besançon galaxy model » utilisé par la communauté scientifique, qui l'a adopté et reconnu sous ce nom, est le seul au monde à synthétiser toutes les connaissances sur les objets célestes pour construire un scénario de formation et un modèle numérique. « Le modèle va encore évoluer pour être capable d'expliquer les mouvements des étoiles et de reproduire leurs orbites », explique Annie Robin, astrophysicienne à l'Observatoire, qui l'a conçu avec son équipe.

 

Du côté du ciel, à présent que les mesures photométriques ont apporté la preuve de leur pertinence, un relevé spectrométrique réalisé par le très grand télescope européen installé au Chili complétera les données par des informations plus fines encore, et sur une population d'étoiles beaucoup plus importante. Les avancées de l'observation et de la modélisation menées en parallèle apporteront encore des éléments de connaissance sur la formation de notre galaxie et permettront à Annie Robin et à son équipe, d'ici quelques années, d'établir une représentation de face de la Voie lactée. Une image totalement inédite et à jamais hors de vue car l'envoi d'une sonde pour se positionner face à notre galaxie dans l'idée d'en saisir un cliché nécessiterait un voyage de 10.000 ans…

 

 

Galaxie Eso 1118

 

 

Le cœur de la galaxie ESO 1118 (vue de face) présente, comme la Voie lactée, une sphère et une barre. Une telle image de la Voie lactée n'est pas réalisable, car la position de notre système solaire sur la « tranche » de la galaxie, que l'on peut imaginer comme une assiette, nous interdit de la voir de face. D'ici quelques années, les astrophysiciens bisontins seront à même d'en donner une représentation réaliste tenant compte du gaz, de la poussière, des étoiles et des dernières découvertes, grâce aux données couplées de la modélisation et de l'observation. (Copyright : 1999 - 2008 ESO).


Lancement de la sonde astrométrique Gaia


 Le lancement de la sonde astrométrique Gaia est prévu pour juin 2013. Véritable scanner de la Voie lactée, Gaia devrait apporter les réponses que se posent depuis des siècles les astronomes sur sa formation et son évolution. Les chercheurs de l’Institut UTINAM et l’Observatoire des sciences de l’Univers THETA de l’université de Franche-Comté participent activement à la préparation d’une mission d’exploration révolutionnaire, dépassant les limites de la connaissance.

 

Avant Gaia, Hipparcos avait, à la fin des années 1980, observé 120 000 étoiles jusqu’à une centaine d’années-lumière de la Terre, avec une précision cent fois supérieure à celle des mesures effectuées depuis le sol. Hipparcos constituait une étape clé dans l’histoire de la connaissance de notre galaxie. Les progrès de la technologie autorisent aujourd’hui l’ESA, l’Agence spatiale européenne, à envoyer une deuxième sonde, Gaia, qui, plus perfectionnée encore, affiche des ordres de grandeur à donner le tournis. Gaia sera capable de mesurer les position, distance, vitesse et composition chimique de 1,5 milliard d’étoiles situées jusqu’à 40 000 années-lumière de notre planète ! La précision sera à nouveau multipliée par cent, ce qui reviendrait à mesurer depuis la Terre le diamètre d’une pièce de 1 euro posée sur la Lune !

 

Placée à plus d’un million de kilomètres de la Terre dont elle suivra la révolution autour du Soleil, Gaia bénéficiera d’une vue imprenable sur l’ensemble du ciel. Les relevés qu’elle effectuera pendant cinq ans, en dehors de toute turbulence atmosphérique, seront à l’origine de l’établissement d’une carte tridimensionnelle et dynamique de la Voie lactée, et grâce aux informations glanées jusqu’aux galaxies les plus lointaines, produiront rien de moins que le nouveau système de référence de l’Univers. Car Gaia recensera des milliers d’objets célestes aujourd’hui pressentis.

 

Mission de la sonde astrométrique Gaia

 

Connaissances exponentielles

 

En attendant, les astrophysiciens de l’Institut UTINAM préparent une simulation de la mission, à partir d’un modèle de l’Univers le plus réaliste possible incluant toutes les connaissances actuelles. Ces données modélisées servent à éprouver la performance des algorithmes, des instruments de mesure et des logiciels d’analyse qui depuis vingt ans se peaufinent en prévision de cet extraordinaire voyage. Astéroïdes, comètes, tous les objets célestes, même les plus petits, potentiellement placés sur le chemin de Gaia sauront ainsi être identifiés, mesurés puis analysés de façon formelle et rapide. Si l’immense masse de données collectées est estimée en pétaoctets, leur traitement est prévu en seulement trois ans, au terme desquels les informations seront mises à disposition de l’ensemble de la communauté scientifique. 

 

Einstein supportera-t-il le voyage ?

 

Aussi incroyable que cela puisse paraître, Gaia représente l’occasion d’aller juger sur pièces la théorie de la relativité générale d’Einstein, postulant que la lumière est déviée lorsqu’elle rencontre un objet massif et que l’espace autour de cette masse est déformé. Les mesures effectuées, notamment les coefficients de courbure de la lumière, soumettront les équations du savant à l’extrême précision de Gaia, et, le cas échéant, permettront aux physiciens d’aujourd’hui d’affiner cette théorie fondamentale.

 

L’aventure Gaia, impliquant quatre cents chercheurs et ingénieurs dans le monde, est jalonnée de nombreux colloques. Le prochain, coorganisé par l’Institut UTINAM, aura lieu du 29 février au 2 mars prochains à Barcelone. En octobre, Besançon recevra des doctorants en astrophysique lors d’une semaine d’école consacrée aux méthodes de modélisation de la galaxie et à leurs applications à la mission spatiale Gaia.

 

Contact : Annie Robin

Institut UTINAM

Observatoire des sciences de l'Univers THETA de Franche-Comté

Université de Franche-Comté / CNRS (INSU)

Tél. (0033/0) 3 81 66 69 4

 

Sources : La Voie lactée ouvre son cœur aux astrophysiciens bisontins : En Direct, n° 243, juillet 2012. Gaia : l’Univers revisité : En Direct, Vignette du numéro 240 de Janvier 2012n° 240, janvier 2012.

07/10/2009

Voie lactée : son recensement est enfin terminé

Voie lactée_logo.jpgVoie lactée : son recensement est enfin terminé

 

par André Guyard

 

Une équipe bisontine a relevé avec succès le dénombrement des étoiles de notre galaxie. Un  exploit salué par la communauté scientifique internationale !

 

 

Terre et voie lactée.jpg

Le Terre et la Voie lactée

 

LA VOIE LACTÉE


La voie lactée est une galaxie spirale géante, comme il en existe des dizaines de milliards dans l'Univers visible, il s'agit d'un vaste disque en rotation, renflé en son centre, composé d'étoiles et de gaz interstellaire. Autour de ce disque, un immense halo, peuplé de très vieilles étoiles, constitue le vestige de la formation de cette vaste agglomération stellaire, voici 13 milliards d'années. La Voie lactée mesure environ 100 000 années-lumière de diamètre. Le système solaire se trouve dans le disque de la Voie lactée, à 28 000 années-lumière du noyau central.

 

Voie lactée11.jpg
Voie lactée
Le carré jaune indique l'emplacement du soleil
(cliché Hubble)
 
2.jpg
Schéma de la Voie lactée montrant
ses bras disposés en spirale

 

La Voie lactée est un élément important du "puzzle" cosmologique : comprendre comment elle est apparue, quelques centaines de millions d'années après le big bang et comment elle a évolué, c'est appréhender l'évolution de l'Univers dans son ensemble. Afin d'étudier globalement la Voie lactée, une équipe française a créé un outil unique, fusionnant observations télescopiques et calculs théoriques, le "modèle standard".

C'est le plus formidable recensement céleste jamais réalisé par des astronomes. Entrepris par une équipe de l'observatoire de Besançon voici un quart de siècle, il livre aujourd'hui un résultat vertigineux : la première estimation précise de la population stellaire de notre galaxie, la Voie lactée...

À l'origine de ce projet unique, entamé en 1985, les astronomes français Annie Robin et Michel Crézé, rejoints au tournant du millénaire par Céline Reylé et Mathias Schultheis. Le résultat ? 140 milliards d'étoiles, plus ou moins dix milliards. Une première : jusqu'ici, les populations stellaires de la Voie lactée n'étaient que grossièrement estimées. Désormais, l'équipe d'Annie Robin peut discriminer avec précision les différentes populations et générations d'étoiles naines, géantes, jeunes, vieilles, etc.

 

UNE TÂCHE HERCULÉENNE

Si ce dénombrement a attendu aussi longtemps pour être délivré, c'est que le recensement de la Voie lactée était une tâche herculéenne. D'abord, parce que le système solaire où nous habitons se trouve plongé au sein même de ce vaste disque stellaire, renflé en son centre. Or, il est malaisé d'étudier un système depuis l'intérieur, surtout qu'une grande partie de la Galaxie nous est masquée par l'accumulation de gaz et de poussières interstellaires présents dans son disque, qui agissent comme un brouillard dense et impénétrable !

Ensuite, les dimensions de notre galaxie sont telles que même avec le télescope spatial Hubble ou les télescopes géants terrestres, il est impossible de détecter tous les astres qui la composent... Ainsi, notre image de la Voie lactée restait-elle très parcellaire. Pour preuve, le plus grand catalogue astronomique actuel, le catalogue USNO-B1.0, dressé en un demi-siècle d'observation continue par les grands observatoires du monde ne contient "que".... un milliard d'astres, soit moins de 1 % du chiffre annoncé par le groupe de Besançon !

Mais l'équipe d'Annie Robin, directeur de recherche au CNRS, a trouvé une solution aussi efficace qu'élégante pour contourner ces obstacles: mixer observations et calcul statistique. "Nous utilisons les observations astronomiques, menées sur des champs limités du ciel, dont nous projetons ensuite les propriétés sur l'ensemble de la Galaxie ", explique-t-elle. Ou comment les parties révèlent in fine le tout ! En effet, la Voie lactée, que l'on peut assimiler à un disque en rotation, est un astre symétrique, homogène, dont la forme et la dynamique sont gouvernées par son seul champ de gravitation.

 

Voie lactée21.jpg
Voie lactée montrant deux bras disposés en spirale
(cliché Hubble)
 
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La voie lactée et ses bras spirales
(Benjamin, vue d'artiste)
 
IMAGES ET CALCULS THÉORIQUES
 
Dès lors, les "sondages profonds", ces images électroniques prises avec un très long temps de pose dans des régions soigneusement choisies de la Voie lactée, permettent, lorsqu'ils sont intégrés au calcul théorique, de dessiner le profil exact de notre gigantesque agglomération stellaire. Annie Robin poursuit: "À l'observatoire de Besançon, afin de mieux comprendre l'origine, l'évolution et la structure de la Voie lactée, nous avons créé l'équipe Galaxie. Notre groupe développe un modèle numérique de Voie lactée, à partir des observations réelles et des modèles de populations stellaires." Un travail de bénédictin, en constant renouvellement depuis vingt-cinq ans, qui a permis en 2003 la publication par Annie Robin, Cécile Reylé et leurs collaborateurs d'un "modèle standard" de notre galaxie, dit aussi "modèle de Besançon", actuellement unique au monde et auquel se réfèrent désormais tous les chercheurs qui étudient la Voie lactée. Concrètement, l'équipe a mis en ligne son modèle sous forme de programme interactif. Les astronomes professionnels peuvent étudier la Voie lactée en lançant ce programme après avoir préalablement choisi les paramètres stellaires qui les intéressent.

Le portrait brossé de la Voie lactée par le modèle de Besançon a apporté son lot de surprises, à commencer par le nombre d'astres recensés : "En fait, nous nous attendions à plus d'étoiles : la plupart des astronomes estimaient le nombre total d'étoiles entre 200 et 400 milliards... alors qu'il n'y en a que 140 milliards", souligne Céline Reylé. Ensuite, ce que révèle le modèle, c'est un extraordinaire déséquilibre entre les populations d'étoiles. Les petites étoiles de faible masse sont très largement majoritaires. Près de 60 % d'entre elles sont des naines rouges, cent à dix mille fois moins lumineuses que le Soleil. Par contraste, la population d'étoiles supergéantes, plus de vingt fois plus massives que le Soleil, est étonnamment restreinte, puisqu'elles représentent moins de 0,00001 % du total, soit quelques milliers d'astres !

Et le Soleil ? Celui-ci est souvent considéré, dans la littérature scientifique, comme une "étoile moyenne". En fait, il n'en est rien : le pourcentage des étoiles de masses comprises entre un demi et deux soleils est inférieur à seulement 15 % ! Quant aux étoiles rigoureusement semblables au Soleil, c'est-à-dire présentant la même masse, la même taille et le même éclat, elles ne sont "que" 2,4 milliards, ce qui ne représente que 1,7 % de la population galactique.

Un résultat vertigineux : 140 milliards d'étoiles, plus ou moins 10 milliards !

Tout compte fait, la Voie lactée n'accueille que cent milliards de véritables étoiles, à savoir des astres qui tirent leur énergie d'une réaction thermonucléaire. Les quarante milliards d'astres restants sont des "étoiles ratées" ou des vestiges d'étoiles mortes, pour la plupart invisibles car brillant d'un éclat extrêmement faible...

UN MODÈLE NUMÉRIQUE...

En tête arrivent les naines brunes : une population énorme (environ 30 milliards, soit 21 %) mais connue et étudiée depuis une quinzaine d'années seulement. Il s'agit d'étoiles trop peu massives pour que s'enclenchent en leur cœur des réactions nucléaires. Seule la pression gazeuse, qui les chauffe, les fait briller.

Puis viennent les naines blanches un peu plus de dix milliards d'individus, soit 7 % qui sont en fait les cœurs mis à nu d'anciennes supergéantes disparues après leur explosion.

Restent les étoiles à neutrons et les trous noirs, impression- nants vestiges des plus massives des supergéantes : les étoiles à neutrons ne sont que des blocs hyperdenses de particules, dont la taille ne dépasse pas... 20 km ! Il en existe un milliard environ dans la Galaxie, soit 0,7 %. Quant aux trous noirs, dont la masse, proche de celle du Soleil, est condensée dans le volume... d'une particule élémentaire, ils sont eux aussi environ un milliard |0,7 %) dans la Voie lactée.
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Diagramme comparatif entre le résultat des observations
(en haut)
et le modèle galactique de Besançon (en bas)
 
Ainsi, le modèle de Besançon permet d'abord d'avoir une image "instantanée" de l'ensemble dynamique, en évolution permanente, que constitue notre galaxie, mais aussi, selon Céline Reylé "d'étudier l'évolution des étoiles de la Voie lactée au fil du temps, depuis sa formation, voici environ 13 milliards d'années, jusqu'à aujourd'hui". Le nombre de paramètres à prendre en compte est étourdissant, depuis la vitesse de rotation des étoiles jusqu'à leur âge, en passant par leur masse, leur composition chimique, leur espérance de vie... Sans oublier la structure de la Galaxie et la densité de matière. En effet, plus on se rapproche du centre galactique, plus le nombre d'étoiles augmente. Dans la banlieue de la Voie lactée où nous nous trouvons, un cube de dix années-lumière d'arête ne contient qu'une ou deux étoiles. Dans le bulbe central, le même cube contient plusieurs dizaines d'étoiles. Et, dans le noyau, ce sont des dizaines de milliers d'étoiles qui s'agglutinent dans un tel volume !

À tous ces paramètres, il faut ajouter une inconnue... de taille, la fameuse matière noire, une matière invisible, transparente, indétectable et de nature mystérieuse, qui baignerait en théorie la Galaxie comme, d'ailleurs, toutes les galaxies de l'Univers. "La masse totale de la Voie lactée incluant la matière noire, atteint mille milliards de fois la masse du Soleil. En revanche, lorsque l'on prend en compte seulement les corps visibles — étoiles, nuages interstellaires, etc. —, la masse de la Voie lactée atteint seulement 50 milliards de masses solaires", explique Céline Reylé. "On a longtemps cherché à expliquer cette énorme masse de matière invisible par la présence dans la Galaxie d'astres indétectables, comme les naines brunes. Mais les observations ont permis d'éliminer cette hypothèse. Aujourd'hui, les physiciens cherchent l'explication à cette énigme du côté des particules exotiques, qui n'interagissent pratiquement pas avec la matière normale."

... ADOPTÉ PAR LES SCIENTIFIQUES

Le "modèle standard" de l'observatoire de Besançon est si précis et efficace dans sa capacité à corréler observation et théorie qu'il a été adopté par les astronomes européens engagés dans le projet de futur satellite astronomique Gaia. Il s'agit d'un télescope spatial de l'Agence spatiale européenne qui doit s'envoler de Kourou fin 2012.
Pendant cinq ans, ce satellite de 500 millions d'euros scannera le ciel entier près d'une cinquantaine de fois, afin de dresser la carte de la Galaxie avec une extrême précision. Sa gigantesque caméra CCD d'un milliard de pixels enregistrera les caractéristiques complètes d'un milliard d'étoiles de la Voie lactée, avec une précision mille fois supérieure à celle des mesures actuelles ! Un bond de géant dans notre connaissance de la Galaxie, mais pas seulement : le télescope de Gaia sera assez puissant pour lier dans un même système de référence spatial la Voie lactée et les autres galaxies, une première dans l'histoire de l'astronomie et la promesse d'une meilleure compréhension de l'évolution de l'Univers. Cela dit, les astronomes n'imaginent pas un atlas complet de la Voie lactée. Techniquement, l'analyse de ses 140 milliards d'étoiles ne sera peut-être jamais possible et, de toute façon, le modèle réel ressemblerait probablement trait pour trait... à son clone numérique.
 
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Le futur satellite Gaia
(Benjamin, vue d'artiste)
 

voie lactée,bras spiraux

© ESA, Gaia, DPAC La première carte de la voie lactée vue par Gaia

 

Sources :

 

 — Article de Isabelle Brunnarius sur France 3 Franche-Comté

 
— Magazine Science & Vie, août 2009, n° 1103, p. 104-109.
Voir également dans ce même blog : la Voie lactée étend ses bras.

La Voie lactée étend ses bras

voie lactée,bras spirauxLa Voie lactée étend ses bras

 

Des observations récentes révèlent que l'un des bras spiraux de notre galaxie est plus étendu qu'on ne le pensait (voir l'article Voie lactée : son recensement est terminé).

 

De l'avis de la plupart des astronomes, la Voie lactée est une galaxie spirale barrée comportant deux bras principaux, celui de Persée et celui de l'Écu-Croix (voir l'illustration ci-dessous). Les autres bras seraient des structures mineures, faites surtout de gaz. Thomas Dame et Patrick Thaddeus, astrophysiciens à Harvard, aux États-Unis ont découvert ce qui est probablement un prolongement du bras de l'Écu-Croix, bras qui entoure désormais presque toute notre galaxie, depuis sa barre centrale d'étoiles jusqu'à son bord. Le bras de l'Écu-Croix apparaît ainsi comme le symétrique du bras de Persée, ce qui confère à la Voie lactée une structure plus simple et plus symétrique qu'on ne le croyait.

 

bras_voiee_lactee.jpg

Vue d’artiste de la Voie lactée, qui intègre la découverte

du prolongement du bras de l’Écu-Croix

 

Le nouveau bras ou morceau de bras serait long d'environ 60 000 années-lumière, alors que le diamètre de la Voie lactée en fait 100 000. Pourquoi n'avait-il pas été remarqué auparavant ? Probablement parce qu'il est courbé : il se trouve en effet légèrement au-dessus du disque voilé de notre galaxie. Il aurait ainsi échappé à l'attention des astronomes, qui l'avaient déjà observé sans l'identifier.

 

Les deux astrophysiciens l'ont découvert en tentant de suivre les bords du bras de l'Écu-Croix. À leur grande surprise, ils ont détecté une structure surgissant à un angle de trois degrés au-dessus du plan galactique, dans le prolongement linéaire de l'Écu-Croix. Afin de s'assurer de leur découverte, ils ont examiné les données préexistantes d'une cartographie de l'hydrogène neutre dans notre galaxie et ses alentours. Cela leur a permis de tracer l'aspect du bras tel qu'il est observé à la longueur d'onde de 21 centimètres.

 

Puis ils ont eux-mêmes réalisé des observations dans le domaine millimétrique pour détecter la présence de monoxyde de carbone (CO) à une dizaine d'endroits le long du nouveau bras. Cette présence est révélatrice de nuages denses d'hydrogène moléculaire où se forment les étoiles, nuages qui constituent les meilleurs traceurs des bras spiraux. Ils démontrent ainsi que le nouveau bras n'est pas une illusion.

 

voie lactée,bras spiraux

© ESA, Gaia, DPAC La première carte de la voie lactée vue par Gaia

 

Pour en savoir plus :

 

 — Article de Isabelle Brunnarius sur France 3 Franche-Comté

 

— Pour la Science, juillet 2011.

T. M. Dame and P. Thaddeus (2011). - A molecular spiral arm in the far outer galaxy Astrophysics J. Letters, 734 

http://arxiv.org/abs/1105.2523