Première mesure fine du « brouillard cosmique » dans l'Univers proche

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Des chercheurs du Laboratoire Leprince-Ringuet (CNRS/École Polytechnique) ont effectué la première mesure de l'intensité de la lumière extragalactique diffuse dans l'Univers proche, véritable brouillard de photons dans lequel baigne l'Univers depuis sa formation. Utilisant des sources gamma parmi les plus brillantes de l'hémisphère sud, cette évaluation a été conduite à partir de mesures effectuées par le réseau de télescopes HESS (1), installé en Namibie, auxquels contribuent le CNRS et le CEA. Elle est complémentaire de celle réalisée récemment par l'observatoire spatial Fermi-LAT (2). Ces résultats apportent des éléments nouveaux pour appréhender la taille de l'Univers observable en rayons gamma et pour mieux comprendre la formation des étoiles et l'évolution des galaxies dans l'Univers. Ils sont publiés le 16 janvier 2013 sur le site de la revue Astronomy & Astrophysics dont ils font la couverture.

Vue du réseau de télescopes HESS en Namibie
© H.E.S.S. Collaboration, Clementina Medina

La lumière émise par tous les objets de l'Univers (étoiles, galaxies...) depuis sa naissance emplit l'espace intergalactique d'un « océan » de photons appelé « lumière extragalactique diffuse ». La luminosité ambiante de notre galaxie empêche de mesurer directement cette trace fossile de l'activité lumineuse de l'Univers. Pour contourner ce problème, les astrophysiciens s'appuient sur le rayonnement gamma (3) (d'une énergie plus de 500 milliards de fois plus importante que celle de la lumière visible), qui offre une méthode alternative et indirecte pour sonder cette lumière.

En effet, un faisceau de rayons gamma issu d'une galaxie lointaine, à plusieurs centaines de millions d'années-lumière, est atténué lors de son voyage vers la Terre, du fait d'interactions avec la lumière diffuse. Plus précisément, au « contact » d'un photon diffus, un photon gamma peut « disparaître » en donnant naissance à un électron et à son anti-particule, un positron, ce qui a pour effet d'atténuer l'intensité du faisceau. Plus le brouillard de photons diffus est épais, plus l'atténuation est importante, réduisant la taille de l'Univers observable en rayons gamma. Finalement, l'absorption par l'atmosphère de la Terre des rayons restants engendre une cascade de particules subatomiques, qui génère un éclair lumineux détectable depuis le sol par HESS, un réseau de télescopes majoritairement franco-allemand. Il repère les rayons gamma de très haute énergie (de l'ordre d'un million de millions d'eV), tandis que ceux de plus basse énergie sont détectés directement par le Large Area Telescope (LAT) de l'observatoire spatial Fermi Gamma-Ray Space Telescope.

Dans cette étude, les chercheurs se sont intéressés à des galaxies particulières appelées blazars (4) distantes de plusieurs milliards d'années-lumière. En mesurant avec HESS les spectres en rayons gamma émis par des blazars relativement proches, ils ont évalué l'effet de l'interaction des rayons gamma très énergétiques avec la lumière extragalactique diffuse dans une sphère d'un rayon de 3 milliards d'années-lumière. La collaboration Fermi-LAT a fait de même dans l'Univers plus lointain, entre 5 et 10 milliards d'années-lumière. Ces mesures ont permis d'en déduire, pour la première fois avec une précision de l'ordre de 20 %, l'intensité de la lumière stellaire contenue dans l'Univers, dans la gamme des longueurs d'onde allant du proche infra-rouge à l'ultra-violet, en passant par le visible.

Une meilleure connaissance de cette lumière diffuse, véritable « mémoire » de l'Univers lumineux, nous révèle des informations sur les premières étoiles. Elle permet ainsi de mieux comprendre leur formation ainsi que l'évolution des galaxies. Cette nouvelle donnée pourrait être intégrée dans certains modèles cosmologiques pour mieux décrire la vitesse et les processus de formation des étoiles depuis la naissance de l'Univers. Ces résultats permettent également de définir la taille de l'Univers observable en rayons gamma et d'envisager l'étude de signatures de mécanismes plus fondamentaux, liés aux champs magnétiques intergalactiques ou bien de phénomènes de physique « exotique ».

Histoire cosmique et mesure de l'opacité aux rayons gamma à différentes époques par HESS et Fermi-LAT.
L'axe vertical du graphique montre l'opacité normalisée à un modèle de référence (Franceschini et al., 2008) et l'axe horizontal indique les distances, en années lumière, auxquelles sont situés les blazars utilisés pour les mesures. Le point bleu à gauche indique la gamme dans laquelle la mesure de Fermi est statistiquement significative et le point rouge à droite montre la mesure réalisée par HESS dans l'Univers proche.
© H.E.S.S. Collaboration

Les laboratoires français impliqués dans H.E.S.S.

• Laboratoire « Astroparticule et cosmologie » (CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris),
• Centre d'études nucléaires de Bordeaux Gradignan (CNRS/Université Bordeaux 1),
• Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (CNRS/Université Joseph Fourier),
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (CEA),
• Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (CNRS/Université de Savoie),
• Laboratoire Leprince-Ringuet (CNRS/École polytechnique),
• Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (CNRS/UPMC/Université Paris Diderot),
• Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (CNRS/Université de Montpellier 2),
• Laboratoire « Univers et théories » (Observatoire de Paris/CNRS/Université Paris Diderot).

Notes:

(1) HESS : « High Energy Stereoscopic System ». La collaboration internationale HESS réunit actuellement 180 chercheurs issus de 28 laboratoires de 12 pays différents, principalement en Allemagne et en France.

(2) The Imprint of the Extragalactic Background Light in the Gamma-Ray Spectra of Blazars. Ackermann et al., Science, publié en ligne le 1er novembre 2012 et en papier le 30 novembre 2012 (Vol. 338 no. 6111 pp. 1190-1192). DOI: 10.1126/science.1227160.

(3) Le rayonnement gamma est constitué de photons, comme la lumière visible ou le rayonnement X, mais il est beaucoup plus énergétique.

(4) Les blazars sont des galaxies dont les centres sont rendus brillants en rayons gamma par l'influence de trous noirs supermassifs et dont les jets de particules sont orientés dans notre direction.

Référence:

Measurement of the extragalactic background light imprint on the spectra of the brightest blazars observed with H.E.S.S.. Collaboration HESS. Astronomy & Astrophysics, en ligne le 16 janvier 2013.

VI
Victor

Moi ça m'intéresse du point de vue cosmologique, peut on dire que ce fonds de photons cosmiques possède une densité suffisamment dense pour créer un milieu visqueux électrodynamique ? je sais je remets ça et se sont mes fantasmes sur le milieux de photons visqueux mais c'est une théorie que je continue d'avoir...

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bongo1981

Un milieux rempli de photons peut être considéré comme un gaz parfait.
Cependant, comme les photons n'interagissent pas entre eux, alors la viscosité y est nulle.

Cependant tu as probablement des effets d'électrodynamique quantique créant des particules virtuelles permettant aux photons d'interagir, mais le bilan énergétique reste nul, et a fortiori pas de viscosité. En fait j'ai beau réfléchir je n'arrive pas à voir comment on peut introduire naïvement une viscosité.

VI
Victor

Je raisonne simplement que tous les objets en mouvement avec une vitesse relative V dans un gaz de photon, ça interagit en quantité de mouvement pour les photons dp= E/c = h ((1/lambda1)-(1/lambda 2))...C'est Le principe même des voiles solaire... Soient les 2 lambda des différentes longueur d'onde celle dûe à un photon qui arrive directement et celle contrario de la vitesse relative V... calcul de lambda donné par effet Doppler de l'objet dans un milieux de gaz de photons ça marche dans des vitesses non relativiste la correction relativiste n'est pas nécessaire... Et ça n'a rien de naïf de penser à une viscosité s'il y a bien création d'une différence de quantité de mouvements d'un objet qui se déplace dans un gaz de photons... Quand je te parle de l'effet GZK je dis qu'il continue dans toutes les longueurs d'ondes et tu réagis en disant que c'est transparent pour les autres longueurs d'onde que l'effet GZK maintenant je me moque bien du schmilblick et notre époque à bien d'autres soucis

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bongo1981

Oui mais tu utilises un argument de la théorie de la relativité, qui a pour postulat une vitesse maximale, pour démontrer qu'il y a bien une vitesse maximale.

VI
Victor

Je n'ai jamais essayé de contrarier la relativité mais d'expliquer d'une manière plus physique,

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bongo1981

Ca n'explique pas pourquoi la lumière a une vitesse limite... puisque la lumière n'interagit pas avec la lumière...
De plus tu dois présupposer le rayonnement fossile (conséquence des modèles cosmologiques de la relativité) pour expliquer une limite de vitesse...

C'est comme si tu disais : l'homme a un nez fait pour porter des lunettes (alors qu'on a conçu les lunettes en prenant en compte la morphologie humaine).

Tu prends le problème à l'envers.

VI
Victor

Je te répondrais par un concept qui te fais bondir, C c'est la vitesse limite dans un milieux visqueux électrodynamique, comme tous les objets sont dans ce gaz de photons ils subissent cette vitesse limite, la quantité de mouvement augment avec la vitesse et ça donne une vitesse limite maintenant que ce soit C ce n'est pas un hasard le milieu visqueux est celui des photons, le problème des objets à grandes vitesse et la vitesse maximum c'est plus un problème de mécanique des fluides qu'une interdiction absolue de ne pas dépasser C...

Concernant le rayonnement fossile c'est une conséquence de l'expansion de l'univers et d'un résidu de chaleurs dans un système en expansion et il n'y a pas que la relativité qui suppose un univers en expansion... Du reste ça ne plaisait pas du tout à Einstein qui aurait aimé un univers statique et éternel, la constante de la relativité n'est pas explicable par la relativité c'est un truc bizarre rajouté pour expliquer un phénomène cosmologique même s'il mathématise assez bien

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bongo1981

Ton explication est intéressante, mais tu n'expliques pas pourquoi "c" est la vitesse limite des photons.

De plus, ton explication pourrait aller pour des corps interagissant avec les photons, mais cela n'explique pas pourquoi une particule comme le neutrino, qui n'interagit pas du tout avec ce bain de photon a également cette vitesse limite.

Enfin, le photon qui a une masse nulle, a une quantité de mouvement dans le cadre de la théorie de la relativité et non en physique classique.

VI
Victor

Le neutrino a une section efficace quasi nulle...Pour le gaz de photons je n'ai pas d'a-priori donc je reprendrais l'idée d'Einstein et son raisonnement sur le rayonnement du corps noir en l'appliquant dans le cas qui nous intéresse à un objet se mouvant en interaction avec le gaz de photons ça n'a rien de purement relativiste même si c'est une idée d'Einstein...Pour c Vitesse limite théorique, c'est une vitesse maximum dans un milieu visqueux dans l'eau, l'air les vitesses des objet sont limités par la viscosité il y aurait pour la lumière le même phénomène de mur que pour le son

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bongo1981

Tu oublies peut-être que même si tu as un milieu, il n'y a pas de vitesse absolue, par exemple :

  • les avions peuvent dépasser la vitesse du son dans l'air
  • les particules peuvent dépasser la vitesse de la lumière dans un milieu donné (effet Cerenkov)

Et comme les neutrinos n'interagissent pas avec les grains de lumière, ton modèle prédit que les neutrinos n'ont pas de vitesse limite, et d'ailleurs aucun objet n'a de vitesse limite (par mon premier argument). Donc ça ne marche pas.

Et de toute façon, ton modèle n'explique pas pourquoi la vitesse de la lumière est limitée.

VI
Victor

Pour en revenir à l'effet Cenrenkov ça ressemble assez à une onde de choc dans le milieu lumineux d'indice N, il y a le même cône de chocs que pour le son...Pour la vitesse limite C je te dis que c'est dû aux milieux visqueux électrodynamiques... Pourquoi la vitesse varie avec les milieux d'indice N...Puis je vois pas pourquoi il n'y aurait pas des vitesses absolues. Comment expliques-tu la grande inflation qui a due atteindre des vitesses très supérieure à C... En attendant Si l'on admets qu'on est dans un milieu donné comme électrodynamique la vitesse est limité par la viscosité du milieux... Dans un vide sans les photons je ne vois pas pourquoi il y aurait une vitesse limite...Puis un argument classique de la relativité: les objets dépassant C sont invisibles pour nous car la corrélation d'observation se fait au Minimum/Maximum avec des photons

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bongo1981

Je vois que tu es toujours bloqué sur les mêmes dogmes préconçus.

Je te copie une page qui dit exactement ce que je viens de te dire :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fluide_parfait#cite_note-2

Plutôt que de parler de conservation de la masse, il faudrait parler de la conservation du nombre de particules, les deux notions étant identiques dans la limite non relativiste. En revanche, dans la limite relativiste, on ne peut parler de conservation de la masse pour un fluide de photons, qui, s'il est à l'équilibre thermique correspond pourtant exactement à un fluide parfait.

Qu'est-ce qu'un fluide parfait ? Tout en haut de la page c'est marqué :

En mécanique des fluides, un fluide est dit parfait s'il est possible de décrire son mouvement sans prendre en compte les effets de viscosité et de la conductivité thermique.

Donc je te facilité la tâche : un gaz de photon est un fluide parfait à l'équilibre thermique, et de toute façon n'a pas de viscosité. (c'est la conductivité thermique qui pose problème lorsqu'un gaz de photon n'est pas à l'équilibre thermique).

VI
Victor

Bon admettons que les photons n'interagissent peu ou pas entre eux un objet qui se déplace dans le milieu des photons subit des choc élastique aussi s'il y a une vitesse donnée V ces chocs ne sont plus équilibrés en modules et en direction d'où l'existence d'une quantité de mouvement donc une force F résistante= dp/dt... Là je décris bien une forme de viscosité du milieu par rapport à un déplacement d'un objet dans ce milieu.. Bien sûr je ne pense pas à une viscosité classique

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bongo1981

Tu décris une force de frottement.
Mais ça n'explique pas pourquoi "c" est la vitesse limite.