Une nouvelle fenêtre sur les premières étoiles de l'Univers
Publié par Michel le 10/06/2009 à 00:00
Source: CNRS / INSU
Illustrations: Vue d'artiste: © NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones; Grond: © GROND/MPE.
La découverte de l'astre le plus lointain connu par l'homme ouvre une nouvelle fenêtre sur une période encore inexplorée de l'histoire de notre Univers: celle de la formation des premières étoiles et des premières galaxies qui a conduit à l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) que nous connaissons actuellement.


Image d'artiste d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de...) massive (Le mot massif peut être employé comme :) produisant un sursaut gamma (Les sursauts gamma (en anglais, gamma-ray bursts, abrégé en GRB) sont des bouffées de photons gamma qui apparaissent aléatoirement dans le ciel. Ils sont situés à de très grandes distances de la Terre, et sont de ce fait les...).

Depuis quelques années les astrophysiciens espéraient découvrir des explosions d'étoiles massives dans l'Univers très jeune (entre 400 et 700 millions d'années). Cette période de la vie (La vie est le nom donné :) de notre Univers est particulièrement intéressante car elle correspond à la formation des premières étoiles et galaxies qui ont illuminé le cosmos après une longue période d'âges sombres. De telles explosions, appelées "sursauts gamma", se produisent lorsque le cœur d'une étoile de plus de 20 masses solaires s'effondre en un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement...) qui avale les parties centrales de l'étoile en quelques secondes et expulse un jet de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) à des vitesses proches de celle de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) (figure ci-dessus). Les sursauts gamma sont composés de deux phases: un éclair intense de rayons X et gamma produit au moment même de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette...) (qui ne traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des...) pas l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) terrestre) et une émission résiduelle dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le spectre électromagnétique (Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en terme de fréquence, d'énergie des photons ou encore de longueur d'onde associée, les trois grandeurs ν...) produite par le choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) du jet de matière sur le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement ténu, avec des densités typiques allant...). Les sursauts gamma sont observés régulièrement par le satellite (Satellite peut faire référence à :) Swift de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son...) qui alerte les observatoires au sol qui peuvent ainsi étudier l'émission résiduelle pour mesurer la distance et l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de l'explosion et trouver la galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par...) dans laquelle celle-ci s'est produite. La luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) extrême des sursauts gamma permet de les détecter jusque dans les régions les plus reculées de l'Univers.

Le 23 avril dernier à 7h55 le satellite Swift de la NASA a détecté un éclair de rayons gamma d'une durée de 10 secondes qu'il a rapidement localisé (voir notre news (NeWS est un système de fenêtrage conçu par James Gosling (qui a contribué à Java) et introduit par Sun Microsystems à la fin des...)). Cet événement a été baptisé GRB 090423, (GRB pour "Gamma-Ray Burst") suivi de la date à laquelle le sursaut a été détecté. En même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) qu'il tournait pour orienter ses télescopes visibles et à rayons X en direction du sursaut, plusieurs télescopes faisaient de même sur la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...). Dans les minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est...) qui ont suivi l'alerte le sursaut était observé par divers télescopes qui ont fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus...) des résultats étonnants: les télescopes équipés de caméras visibles ne détectaient aucune trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie...) de l'explosion tandis que ceux qui étaient équipés de caméras infrarouges, comme le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument...) anglais UKIRT et le télescope Gemini à Hawaii, détectaient une nouvelle étoile plutôt brillante. Rapidement les astronomes ont compris qu'il pouvait s'agir d'une explosion extrêmement distante dont la lumière avait été décalée vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) par l'expansion de l'Univers. Une dizaine d'heures (L'heure est une unité de mesure  :) après le sursaut gamma plusieurs observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) couvrant simultanément les deux domaines visibles et infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) (spectres obtenus au télescope italien TNG des îles Canaries et au Very Large Telescope de l'ESO et observations photométriques réalisées avec le télescope allemand GROND – figure ci-après) ont pleinement confirmé cette hypothèse audacieuse. Ces mesures ont révélé une explosion ayant eu lieu lorsque l'Univers avait seulement 4% de son âge actuel (soit 630 millions d'années, ce qui correspond à un décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de l'ensemble du spectre – ce qui...) z = 8,1). Les auteurs de ces observations venaient d'identifier l'astre le plus lointain jamais observé par l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par...), une explosion stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à...) tellement lumineuse qu'elle a pu être détectée après que la lumière ait voyagé pendant 13 milliards d'années.

Cette découverte, à laquelle est associé Olivier Godet un chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur...) post-doctoral de l'Observatoire Midi-Pyrénées (INSU-CNRS, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) Paul Sabatier), tombe comme une excellente nouvelle après le colloque de prospective du CNES qui vient d'officialiser l'engagement du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le...) du projet Sino-Français SVOM dont l'un des objectifs est précisément la détection et l'étude des sursauts gamma les plus lointains de l'Univers. La mission SVOM, prévue pour un lancement en 2014, permettra de systématiser la détection de ces événements grâce à une combinaison (Une combinaison peut être :) instrumentale unique qui inclut des détecteurs de rayons gamma dans l'espace, un système de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de...) rapide (quelques dizaines de secondes) des alertes vers la Terre, et des télescopes terrestres équipés de caméras infrarouges. Les chercheurs de l'Observatoire Midi-Pyrénées, qui ont une longue tradition d'étude de l'Univers jeune et de l'Univers à haute énergie, jouent un rôle de premier plan dans le projet SVOM. Le Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements (CESR: INSU-CNRS, Université Paul Sabatier) fournira le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation...) de rayons gamma du télescope ECLAIRs, le dispositif embarqué sur le satellite de détection et d'alerte des sursauts gamma réalisé sous la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et...) d'œuvre du CEA-IRFU à Saclay, tandis que le Laboratoire d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la...) de Toulouse-Tarbes (LATT: INSU-CNRS, Université Paul Sabatier) prépare un télescope terrestre équipé d'une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) infrarouge. Sont également impliqués dans ce projet: le Laboratoire d'Astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs...) de Marseille (LAM: INSU-CNRS, Université Aix-Marseille I, Observatoire Astronomique (Un observatoire astronomique est un lieu destiné à l'observation astronomique. Les laboratoires modernes sont largement dotés d'instruments scientifiques; d'abord mécaniques (quadrant,...) de Marseille Provence), l'Observatoire de Haute Provence (INSU-CNRS, Observatoire Astronomique de Marseille Provence), l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) d'Astrophysique de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les...) (INSU-CNRS, Université de Paris (L’Université de Paris était l’une des plus importantes et des plus anciennes universités médiévales. Apparue au XIIe siècle, elle est reconnue...) 6).

Les perspectives ouvertes par la détection de GRB 090423 sont immenses puisque les astronomes savent maintenant qu'ils ont les moyens d'étudier les premières générations d'étoiles et que celles-ci, lorsqu'elles explosent, deviennent pour quelques heures des "phares" puissants qui éclairent une période inexplorée de l'histoire de notre Univers: celle de la formation des premiers astres lumineux.


Image résiduelle de l'explosion prise par le télescope GROND 15 heures après le sursaut gamma,
montrant l'absence de détection visible (aucun signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) n'est détecté au-dessus du niveau de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.)
de fond dans les filtres visibles g',r',i',z') et la présence d'une émission lumineuse en infrarouge
dans les filtres J, H et K. Une telle coupure entre émission visible et infrarouge est caractéristique
des astres dont la lumière nous parvient après un voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel (affaires). Le voyage s'est...) de 13 milliards d'années.
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