Intr oduction
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Introduction
La sonde spatiale de la NASA Voyageur 2 est à près de 16 milliards de kilomètres de chez elle. Lancé en 1977, ce robot explorateur a dépassé Jupiter et Saturne en 1979 et 1981, puis croisé Uranus en 1986, et Neptune en 1989. Il se dirige à présent vers les confins du système solaire, puis vers l’espace interstellaire. Bien que sa vitesse de croisière dépasse les 55 000 km/h, il faudra des dizaines de milliers d’années à la sonde pour être plus proche d’une autre étoile qu’elle ne l’est actuellement de notre Soleil. L’espace est grand.
Inimaginablement grand. Le système solaire, avec toute son armada de planètes, de satellites, d’astéroïdes et de comètes, représente à peine plus qu’une petite goutte dans le vaste océan qu’est l’Univers. C’est un peu notre jardin, duquel nous pouvons observer les équivalents cosmiques de notre rue, notre ville, notre pays et notre monde.
Le livre de Marcus Chown Le Système solaire, publié par les Éditions Place des Victoires en 2012, entraînait les lecteurs dans une visite guidée époustouflante des comparses de la Terre et de leur long cortège de satellites. Le présent ouvrage, après un bref coup d’œil à notre environnement planétaire immédiat, nous emmène au royaume des étoiles et des nébuleuses, des pulsars et des amas stellaires, des explosions de supernovae et des trous noirs, des galaxies et des groupes de galaxies, jusqu’aux confins de l’Univers et au début des temps. À la fin du volume, l’atlas céleste de Wil Tirion vous aidera à mieux vous orienter dans le ciel étoilé.
Chemin faisant, nous rencontrerons nombre d’habitants célèbres de l’Univers, comme l’étoile Bételgeuse, la nébuleuse d’Orion, l’amas stellaire des Pléiades, ou encore la galaxie Andromède. Il ne s’agit pas seulement d’un « Facebook » cosmique. De nos jours, les astronomes comprennent comment tous ces objets sont liés les uns aux autres. Ensemble, ils nous racontent l’histoire passionnante de l’évolution de l’Univers, depuis les premières fluctuations de densité du Big Bang jusqu’à la forma tion de galaxies et à la naissance d’étoiles, de planètes habitables et, enfin, de la vie.
Avec la découverte d’objets étranges comme les blue stragglers* (« traînardes bleues »), les magnétars et les quasars, et avec les constituants mystérieux que sont la matière noire et l’énergie noire, l’imagier de l’Univers est devenu de plus en plus complexe.
La majeure partie de ce livre n’aurait pas pu être écrite il y a vingt-cinq ans, pour la simple raison que nos connaissances étaient beaucoup plus limitées à l’époque.
Et même si ce livre avait pu être écrit, vous seriez passés à côté des photos magnifiques qui ont été fournies par de grands observatoires terrestres et des télescopes spatiaux.
Nous avons la chance de vivre à une époque où les yeux puissants du télescope spatial Hubble et du Très Grand Télescope européen situé au Chili nous offrent une foule d’images qui enflamment notre imagination – autant que pourrait le faire un tableau de Rembrandt ou de Van Gogh.
Cela a été un privilège de travailler sur ce livre en m’appuyant sur le volume de Marcus Chown consacré au système solaire. En écrivant le texte et en sélectionnant les images, j’ai réalisé une fois encore à quel point notre Univers est miraculeux. Suivez-moi à travers l’espace profond, admirez le paysage, et apprenez en plus sur le monde immense et merveilleux dans lequel nous vivons.
Ces deux galaxies ressemblent à un bouton de rose sur sa tige, une véritable fleur de l’espace. Situées à une distance de 300 millions d’années-lumière de la Terre, elles sont déformées par leur attraction gravitationnelle réciproque. Il semblerait que la plus petite des deux soit passée à travers la plus grande il y a quelques centaines de millions d’années.
Le s ystème solair e
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Le télescope solaire suédois de La Palma, aux îles Canaries (Espagne), permet d’observer de petits détails des zones sombres des taches solaires.
L’Univers compte environ dix mille milliards de milliards d’étoiles. Moins du cent millionième d’un pour-cent d’entre elles se trouve dans la Voie lactée, mais cela en fait quand même quelques centaines de milliards ! L’une de ces petites étoiles de la Voie lactée est notre Soleil, la source d’énergie de toute forme de vie sur Terre. Ce n’est qu’un grain de sable dans la sombre étendue du cosmos, mais il est indispensable pour nous fournir de la lumière et de la chaleur.
Les étoiles comme le Soleil sont d’une compo- sition étonnamment simple. Ils sont en gros cons ti- tués à 75 % d’hydrogène et à 24 % d’hélium. Seul 1 % du Soleil est fait d’atomes plus lourds. Tout ce gaz est compressé sous l’effet de sa propre gravité pour former une sphère. La température et la pres sion augmen tent au fur et à mesure que l’on s’approche du centre où les conditions sont telle ment extrêmes que des réactions nucléaires s’y déclenchent spon- tané ment. L’énergie libérée rayonne depuis la surface incandescente du Soleil, sous la forme de lumière et de chaleur. C’est aussi simple que cela.
Le Soleil présente pourtant plusieurs mys tères. Per- sonne ne sait exactement comment son atmos phère raré fiée, la couronne, peut être chauf fée à plus d’un mil- lion de degrés. La défor mation des champs magné tiques entraîne à la fois des taches sombres, moins chaudes, et de puis santes éruptions solaires qui en voient dans l’espace des particules à haute énergie char gées élec- trique ment ; la raison pour laquelle le cycle d’activité de onze ans du Soleil a parfois quelques ratés et la manière dont il influe sur le climat de la Terre res tent floues.
Ce que l’on sait néan moins, c’est qu’une érup tion solaire très puis sante peut griller nos circuits électriques, détruire nos réseaux de communication, et perturber plei nement notre société technologique si vulnérable.
Passeport Nom : Soleil Diamètre : 1 392 000 km Période de rotation : 25,4 jours Masse :
328 946 x masseTerre (mT) Gravité de surface : 27,9 x gravitéTerre (g) Âge : 4,6 milliards d’années Distance :
149,6 millions de km
Un immense fi lament de gaz s’échappe d’une zone d’activité de la surface du Soleil.
Entre avril 2002 et avril 2003, les régions actives du Soleil étaient principalement réparties au nord et au sud de l’équateur, comme le montre cette superposition de 25 clichés d’imagerie en ultraviolets extrêmes.
Sur cette image multi longueur d’onde du Soleil, obtenue le 30 mars 2010, les couleurs révèlent les températures de gaz : le rouge est relativement froid, le bleu et le vert sont plus chauds.
Les mystères du Soleil
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La nais sance des étoiles
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NAISSANCE La
Il y a quelques siècles, il était inimaginable de se dire que les étoiles ne vivaient pas éternellement, mais au contraire qu’elles étaient « nées » à un moment donné, et qu’elles
« mourraient » un jour. Nous savons aujourd’hui que rien dans l’Univers n’est éternel.
Le ciel nocturne n’a pas la même apparence aujourd’hui qu’il y a un milliard d’années, et il sera encore très différent dans un milliard d’années. Là où nous voyons aujourd’hui de sombres nuages froids de gaz et de poussière, de nouvelles étoiles scintilleront un jour.
Une étoile comme le Soleil a une espérance de vie de quelque 10 milliards d’années.
Il n’est donc pas surprenant que la naissance d’une étoile prenne plus de temps que celle d’un bébé. Après les premières contractions, il peut s’écouler des dizaines de milliers d’années avant que la jeune étoile ne pousse son premier cri. Bien qu’il semble se passer fort peu de choses dans la pouponnière cosmique durant tout ce temps, les apparences sont parfois trompeuses : nos vies sont tout simplement trop courtes pour s’en rendre compte.
Ces pouponnières cosmiques font partie des objets les plus photogéniques de l’Univers.
Lorsque les étoiles viennent au monde, le gaz qui les entoure est illuminé de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel et des nuages de poussière aux formes irrégulières se détachent sur un fond de filaments nébuleux rougeoyants. Cette vision spectaculaire nous donne un aperçu étourdissant de l’album de naissance du Soleil : il y a plus de 4 milliards et demi d’années, notre propre étoile, probablement accompagnée de dizaines de frères et sœurs, a été créée d’une manière similaire à partir d’un nuage cosmique de gaz et de poussière.
Baptisée ainsi à cause de son apparence d’araignée, la nébuleuse de la Tarentule, située dans le Grand Nuage de Magellan, est l’une des plus grandes régions de formation stellaire du Groupe local* (cf. pp. 134-143) de l’Univers.
des étoiles
La nais sance des étoiles
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La nais sance des étoiles
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Un chaudron de sorcière
rempli de gaz et de poussière
Passeport Nom : Nébuleuse de la Carène NGC 3372 Constellation : Carène Position dans le ciel : AD 10h 45min 09s Dec. - 59° 52,1’
Carte du ciel : 11 Distance : 7 000 années-lumière Diamètre : 600 années-lumière Au milieu du XVIIIe siècle, l’astronome français
Nicolas Louis de Lacaille partit pour le cap de Bonne- Espérance afin d’étudier le ciel nocturne en détail dans l’hémisphère sud. C’est là qu’il découvrit en 1751 une grande tache nébuleuse distincte dans la constellation de la Carène. La nébuleuse de la Carène est une région de formation stellaire gigan- tesque, bien plus grande que celle d’Orion, située à au moins 7 000 années-lumière, dans le bras spiral Sagittaire-Carène de la Voie lactée. La nébuleuse contient déjà nombre de jeunes étoiles, y compris Êta Carinae, l’une des étoiles les plus massives de notre galaxie. Il y a plus de 7 000 ans, Êta Carinae a subi une énorme explosion et est ainsi momentanément devenue en 1841 la deuxième étoile la plus brillante de l’Univers que l’on puisse observer, en dépit de la distance considérable à laquelle elle se trouve.
Les grands télescopes placés dans l’hémisphère sud ont produit des images détaillées de la nébu- leuse de la Carène, et le télescope spatial Hubble a également étudié cette pouponnière cosmique de très près. On ne peut détacher ses yeux du panorama offert par Hubble, sorte de chaudron de sorcière bouil lonnant de volutes de gaz, d’ondes de choc, de nuages de poussière et de jeunes étoiles. Certaines par ties de la nébuleuse semblent sortir tout droit d’un conte de fées ; une protubérance resplendissante a été baptisée la « montagne mystique ».
Des milliers d’étoiles ont vu le jour dans la nébu- leuse de la Carène, sur des millions d’années ; on trouve des amas d’étoiles jeunes et compacts dans différentes zones de la nébuleuse. D’autres proto- étoiles sont blotties dans des nuages de poussière sombres et n’apparaissent nettement que sur les pho tos infrarouges. Ces images montrent également les jets de gaz très chauds que les protoétoiles pro- jettent dans l’espace dans deux directions diamé- tralement opposées. Qui sait, une autre hypergéante comme Êta Carinae naîtra peut-être un jour.
C’est au Très Grand Télescope européen, situé au Chili, que l’on doit cette image infrarouge de la nébuleuse de la Carène.
Cette mosaïque de la nébuleuse de la Carène, produite par Hubble, n’est pas sans rappeler un tableau abstrait de Jackson Pollock ; elle est parsemée de filaments de gaz et de petites nébuleuses sombres où de nouvelles étoiles émergeront un jour.
Située dans la constellation australe de la Carène, la nébuleuse de la Carène est invisible depuis l’hémisphère nord. Cette photo a été prise depuis l’Observatoire européen austral (ESO), situé au Chili.
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À la recherche d’un témoin
Toutes les supernovae qui explosent dans la Voie lac tée ne donnent pas lieu à un spectacle magnifique dans le ciel nocturne. Il y a plus de 300 ans, une étoile massive a dû exploser dans la constellation de Cassio pée, mais il semblerait qu’elle soit passée ina- perçue. L’explo sion était peut-être masquée par d’épais nuages de pous sière absorbants, ou bien c’était un type d’explo sion inhabituel, produisant peu de lumière.
Le rémanent de l’explosion de supernova qui aurait dû être visible au XVIIe siècle a en revanche été découvert en 1947, sous la forme de source d’ondes radio puis- santes (connue sous le nom de Cassiopeia A), puis de nouveau en 1950 sous la forme d’une nébu leuse en forme de coquillage, de très faible éclat. La coquille gazeuse a un diamètre d’environ 10 années-lumière, elle est située approximativement à 10 000 années-lumière, et en expansion à une vitesse de près de 5 000 km/s.
L’étoile 3 Cassiopeiae, cataloguée par John Flamsteed, n’apparaît sur aucune carte. Cela pourrait être la supernova qui a engendré Cassiopeia A.
Dans cette modélisation 3D, des filaments de silicium et de fer (jaune et vert) sont éjectés par la supernova qui a créé Cassiopeia A.
Les taches chaudes (entourées) de cette image infrarouge du télescope spatial Spitzer ont été chauffées par des flashs d’énergie venant du cœur de Cassiopeia A.
Cassiopeia A a été étudiée de près entre-temps par les télescopes spatiaux Hubble (en lumière visible), Spitzer (dans l’infrarouge) et Chandra (en rayons X).
Les couleurs de ce rémanent de supernova en expan- sion indiquent la composition du gaz. Le vert montre la présence d’oxygène, le rouge de sul fure et le bleu d’hydrogène et d’azote.
Le télescope spatial infrarouge Spitzer a égale- ment découvert que l’étoile à neutrons laissée par l’explosion était encore fortement active. Au milieu du XXe siècle, elle a subi une explosion qui a produit des rayonnements hauts en énergie, chauffant ainsi les nuages de poussière qui l’entourent.
Est-on certain que personne n’a vu cette étoile explo ser ? Peut-être que quelqu’un l’a observée, en fait : en août 1680, l’astronome anglais John Flamsteed a décrit une étoile qu’il a baptisée 3 Cassiopeiae, qui n’a plus ja mais été revue par la suite. Il s’agissait peut-être de la super nova, dont la lumière aurait été fortement absorbée.
Nom : Cassiopeia A Constellation : Cassiopée
Position dans le ciel : AD 23h 23min 26s Dec. + 58° 48,0’
Carte du ciel : 2 Distance :
10 000 années-lumière Perception de l’explosion : 1680 ? Pic de luminosité : 6 ? Type de supernova : IIb Diamètre du rémanent : 10 années-lumière
Le rémanent de la supernova Cassiopeia A a été étudié aux longueurs d’onde visibles, infrarouges et X, comme le montre cette superposition en fausses couleurs.
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Un pulsar binaire perd de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles, sortes d’ondulations de l’espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière. Du coup, les deux pulsars se rapprochent petit à petit l’un de l’autre.
Les trous noirs, des prisons
pour la lumière
Plus une étoile est massive et compacte, plus les champs gravitationnels qui règnent à sa surface sont puissants. Que se passe-t-il lorsqu’une étoile est tellement massive que sa vitesse de libération est supérieure à la vitesse de la lumière (300 000 km/s) ? Le géologue anglais John Michell s’est posé cette question dès 1783. Il a établi le postulat de l’existence
« d’étoiles obscures », dont la gravité serait telle qu’elle empêcherait la lumière de s’échapper.
Grâce à la théorie de la relativité d’Einstein, nous savons que ce genre d’étoiles obscures peut en effet exister. On les appelle aujourd’hui des trous noirs : noirs parce qu’ils n’émettent pas de lumière eux- mêmes, et trous parce que la matière située à pro- ximité d’eux est aspirée et ne peut plus jamais s’échapper. Selon Einstein, la vitesse de la lumière est la plus élevée à laquelle quoi que ce soit puisse se déplacer dans le monde naturel.
Si le cœur d’une étoile qui a explosé pèse plus qu’environ 3 fois la masse du Soleil, même la pres- sion nucléaire de ses neutrons comprimés ne peut pas offrir suffisamment de résistance à la force de la gravité. L’étoile à neutrons continue alors de s’effon- drer jusqu’à devenir un trou noir, une région de l’espace où le champ gravitationnel est tellement puis sant que rien ne peut s’en échapper, pas même la lumière. Personne ne sait ce qu’il se passe au cen- tre d’un trou noir ; nos théories en physique ne sont pas assez élaborées pour expliquer ce qui peut se dérouler dans ces sombres prisons.
Les trous noirs « stellaires » sont parfois visibles indirectement, lorsqu’ils font partie d’un système stellaire binaire. Ils accrètent ensuite la matière de leur compagne. Ce gaz finit par former un disque d’accrétion plat et en rotation, avant de disparaître dans le trou noir et de devenir si chaud qu’il émet des rayons X.
Les pulsars d’Einstein
Le pulsar le plus connu est de loin PSR 1913+16.
En 1993, il a reçu le prix Nobel de physique ; en fait, le prix a été attribué à Joe Taylor et Russell Hulse, qui découvrirent en 1974 que ce pulsar, avec sa vitesse de rotation de 17 tours par seconde, faisait partie d’un système stellaire binaire.
Grâce au radiotélescope d’Arecibo (Porto Rico) de 300 m de diamètre, Taylor et Hulse se rendirent compte que les pulsations de PSR 1913+16 arrivaient parfois sur Terre un peu plus rapprochées les unes des autres, et à d’autres moments un peu plus dis- per sées. Le motif se répétait toutes les 7,75 h. Ils en conclurent que le pulsar était accompagné d’une autre étoile à neutrons. Ces deux objets compacts tournent l’un autour de l’autre en suivant des orbites excentriques, à une distance moyenne de quel ques millions de kilomètres.
Dans un système stellaire binaire aussi étrange, la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein commence à s’appliquer. Elle prévoit que le système perde de l’énergie sous forme d’ondes gravitation- nelles, et que les deux étoiles à neutrons doivent donc se rapprocher constamment l’une de l’autre. Et c’est exactement ce qu’ont montré les mesures de précision effectuées par ce pulsar binaire. Chaque année, la période de rotation diminue de 76,5 micro- secondes, et la distance moyenne de 3,5 m. D’ici envi- ron 300 millions d’années, ces deux étoiles entreront en collision et fusionneront pour former un trou noir.
Entre-temps, on a découvert une autre étoile à neu trons binaire, PSR J0737-3039, dont les deux compo santes émettent des pulsations radio observables. Ce système se comporte lui aussi exacte- ment comme le prévoit la théorie d’Einstein. Des objets astronomiques bizarres peuvent ainsi être utilisés pour tester les théories de la physique dans des conditions extrêmes.
Deux pulsars en rotation rapide tournent l’un autour de l’autre en envoyant des jets de matière et des faisceaux de rayonnement dans l’espace.
Né au début de l’Univers, le jeune trou noir de cette vue d’artiste n’est pas entouré d’un nuage de poussière absorbante.
Le gaz de l’étoile située au premier plan est attiré vers un trou noir en orbite, et émet des rayons X avant de plonger dans les ténèbres.
On a découvert un trou noir de masse stellaire dans la galaxie NGC 300.
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