jeudi 14 décembre 2017

Ceintures de Van Allen : un mystère vieux de 60 ans résolu


Les ceintures de Van Allen ont été découvertes en 1958. Elles sont constituées majoritairement de protons et d’électrons énergétiques capturés par le champ magnétique de la Terre. Depuis 60 ans, l’origine des électrons qui sont situés dans la partie interne des ceintures de Van Allen était incertaine. Aujourd’hui, la preuve de leur origine est apportée grâce à un micro satellite conçu et exploité par des étudiants de l’Université du Colorado…





lundi 11 décembre 2017

Détecter des ondes gravitationnelles avec un réseau de pulsars

La détection des ondes gravitationnelles est en train de voir apparaître un nouvel outil, très différent des interféromètres à lasers du type LIGO, VIRGO ou eLISA. Il s'agit d'objets astrophysiques, qui ont la particularité très intéressante de fournir une mesure temporelle naturelle : les pulsars

L'astronomie gravitationnelle n'en est qu'à ses prémices. Les interféromètres comme LIGO, VIRGO et bientôt KAGRA, ne peuvent détecter qu'une certaine classe d'ondes gravitationnelles, typiquement celles produites lors de fusion d'objets compacts comme des trous noirs stellaires et des étoiles à neutrons. Ils ne pourront par exemple jamais détecter la coalescence de deux trous noirs supermassifs, et encore moins les ondes gravitationnelles diffuses qui peuplent l'Univers en permanence et qui forment un bruit de fond à très basse fréquence. Ces ondes gravitationnelles seront pourtant bientôt détectées par une méthode imaginée il y a déjà plus de 20 ans, et qui consiste à mesurer la pulsation radio de plusieurs dizaines de pulsars (étoiles à neutron en rotation rapide), en même temps, et de repérer la moindre petite déviation par rapport à leur pulsation normale. Un tel réseau de pulsars forme ainsi une sorte de gigantesque filet virtuel, dont la déformation indiquera le passage d'ondes gravitationnelles.
Le principe de la mesure repose sur l'utilisation des pulsars comme des horloges très précises. Connaissant parfaitement la fréquence de rotation d'un pulsar, les chercheurs peuvent prévoir le temps d'arrivée de chaque pulsation radio. Mais le passage d'une onde gravitationnelle entre ce pulsar et la Terre va modifier le temps d'arrivée prévu des ondes radio en modifiant l'espace-temps.
La différence concernant la fréquence des ondes détectables vis à vis de ce qui est vu avec LIGO et VIRGO est absolument énorme : 12 ordres de grandeurs! Alors que les interféromètres terrestres sont sensibles à des ondes gravitationnelles de quelques centaines de Hz, les réseaux de mesure temporelle de pulsars, eux, sont sensibles jusqu'à des fréquences de l'ordre de 10-6 à 10-10 Hz... L'interféromètre en orbite que sera eLISA, quant à lui, pourra être sensible aux ondes gravitationnelles de fréquences intermédiaires, comprises entre 10-5 Hz et 1 Hz. 


A l'occasion de l'anniversaire des 50 ans de la découverte des pulsars par Jocelyn Bell, Nature Astronomy trace l'avenir radieux de la science associée à ces objets, parmi les plus surprenants de l'Univers. Andrea Lommen (Haverford College) y décrit à quoi ressemble le réseau international IPTA (International Pulsar Timing Array). Un tel réseau de mesure temporelle de pulsars est formé typiquement de 50 pulsars millisecondes, éloignés de plusieurs centaines de parsec (environ 1000 années-lumière).
Pour suivre en quasi continu une grande population de pulsars, les astronomes utilisent un autre réseau, de radiotélescopes, pour enregistrer les pulsations radio de chaque pulsar du réseau. Aujourd'hui la collaboration IPTA regroupe des astrophysiciens australiens, canadiens, français, anglais, allemands, italiens, hollandais, sud-africains, indiens, chinois, et bien sûr américains, avec 13 radiotélescopes répartis sur tous les continents. Mais la National Science Foundation américaine vient de voir son budget drastiquement réduit, ce qui jette une grosse incertitude sur l'exploitation future des radiotélescopes d'Arecibo et de Green Bank qui sont des pièces importantes de l'IPTA.

La première détection de ce type de réseau sera ce qu'on appelle le bruit de fond stochastique d'ondes gravitationnelles. Il s'agit du signal cumulé provenant de dizaines de milliers de couples de trous noirs supermassifs distribués un peu partout dans l'Univers. Ce signal stochastique, grâce à son amplitude et à son indice spectral, pourra fournir des informations précieuses sur l'histoire générale des fusions de galaxies, remontant jusqu'à des temps très anciens, une information très difficilement accessible directement avec des photons.
Pour le moment, les équipes qui se sont lancées dans cette traque en exploitant des réseaux de pulsars n'ont pas encore détecté le bruit de fond stochastique (ça se saurait!), mais ils améliorent tous les ans sa limite supérieure. La limite supérieure qui est fixée sur le niveau de ce bruit de fond en n'ayant rien détecté de significatif descend ainsi tous les ans. Viendra un moment où le bruit de fond apparaîtra lentement, son signal sortant de plus en plus du bruit, la limite supérieure ne descendant plus. Mais le processus durera encore des années jusqu'à ce que la signifiance statistique atteigne une valeur de plus de 3σ ou 5σ pour annoncer la découverte.
Après avoir détecté le bruit de fond stochastique, IPTA pourra détecter des sources d'ondes gravitationnelles discrètes, parmi elles les couples de trous noirs les plus massifs qui existent parmi les trous noirs supermassifs.

L'astronomie gravitationnelle sous ses différentes formes va ouvrir une fenêtre inédite sur l'Univers. Les réseaux de pulsars ont l'énorme avantage vis à vis des interféromètres de ne pas avoir besoin de construire des détecteurs spécifiques, des radiotélescopes classiques étant suffisants, mais il leur faut du temps...


Source

Pulsar timing for gravitational wave detection
Andrea N. Lommen
Nature Astronomy (1 december 2017)
http://dx.doi.org/10.1038/s41550-017-0324-9



Illustrations

1) Comparaison de la sensibilité des différentes méthodes de détection d'ondes gravitationnelles : tension caractéristique en fonction de la fréquence (Christopher Moore, Robert Cole and Christopher Berry, the Gravitational Wave Group at the Institute of Astronomy, University of Cambridge) http://rhcole.com/apps/GWplotter/

2) Échantillon de radiotélescopes participant au réseau IPTA (International Pulsar Timing Array).

vendredi 8 décembre 2017

Découverte du premier quasar situé avant la réionisation complète de l’Univers, 690 millions d’années après le Big Bang


Ce n’est pas une observation anodine que viennent de reporter une équipe d’astrophysiciens américains, européens et chinois dans la revue Nature : un quasar montrant par ses caractéristiques spectrales (et pour la première fois) qu’il se trouve dans l’Univers en cours de réionisation, à 690 millions d’années après le Big Bang. Ce quasar puise son énergie dans un trou noir supermassif de 800 millions de masses solaires, ce qui remet encore en question les processus de croissance de ces trous noirs.




jeudi 7 décembre 2017

Des galaxies formant énormément d'étoiles, moins de 800 millions d'années après le Big Bang

L’observation de la croissance des premières galaxies qui a lieu entre 500 millions et 1 milliards d’années après le Big Bang est un véritable challenge pour les astrophysiciens, qui doivent pour cela utiliser des instruments très sensibles pour atteindre de très faibles luminosités et en même temps devant couvrir de grands champs, pour espérer en capturer de rares specimens. Une telle observation vient d’être effectuée par des astronomes américains, européens et chiliens, et a permis de trouver un couple de galaxies situées 777 millions d’années seulement après le Big Bang, des galaxies déjà très massives, et qui sont en train de former un nombre ahurissant d’étoiles.




mercredi 6 décembre 2017

Géminides 2017 : superbe pluie d'étoiles filantes en perspective


La nuit du 13 au 14 décembre prochain verra le pic d'activité de la pluie d'étoiles filantes des Géminides. Cette année, contrairement à l'année dernière, la situation sera idéale, avec une absence quasi-totale de Lune et un radiant très proche du zénith en milieu de nuit. Un taux de 80 par heure, plus d'un météore par minute, pourrait être observé!




lundi 4 décembre 2017

Découverte d'un couple de trous noirs supermassifs caché derrière Andromède


Après observation attentive d'une étoile paraissant un peu bizarre, située dans la galaxie d'Andromède, des astrophysiciens viennent de montrer que ce n'est pas du tout une étoile mais un couple de trous noirs supermassifs situé très loin en arrière plan d'Andromède. Ce couple formerait le système binaire de trous noirs supermassifs le plus resserré observé à ce jour...




samedi 2 décembre 2017

Nouvelle anomalie de flux de rayons cosmiques détectée par DAMPE

Ça commence à s'exciter dans la communauté de la physique des astroparticules, à cause d'une anomalie mesurée par le détecteur orbital chinois DAMPE. Ses premières données de flux d'électrons et positrons viennent d'être publiées dans Nature. Outre la confirmation d'une forme de spectre anormale, c'est un point du graphe, situé à 1400 GeV, qui intrigue nombre de chercheurs. Cet excès d'électrons et de positrons pourrait être un signe indirect de matière noire.




jeudi 30 novembre 2017

Des ceintures de poussière découvertes autour de Proxima Centauri


Proxima Centauri, l’étoile la plus proche du Soleil possède on le sait une planète tellurique (Proxima b), mais elle semble également être entourée par bien d’autres choses. C’est ce que révèlent de nouvelles observations effectuées avec ALMA




mardi 28 novembre 2017

Des étoiles naissent à moins de 4 années-lumière de Sgr A*, le trou noir supermassif de notre galaxie


La région très proche de Sgr A*, le trou noir supermassif central de notre galaxie, se confirme être, contre toute attente, une riche zone de formation d'étoiles. Cette observation déjà suggérée il y a quelques mois, vient d'être confirmée par des observations de ALMA.




lundi 27 novembre 2017

Des vitesses stellaires mesurées en 3D pour la première fois dans une galaxie naine


La mise en commun de données de position d'étoiles provenant d'observations du télescope Hubble et du télescope européen Gaïa vient de fournir, pour la première fois, une cartographie des vitesses d'étoiles en 3D dans une galaxie naine satellite de la Voie Lactée. 

C'est la galaxie naine Sculptor qui a servi de cible pour cette jolie mesure première du genre. Comme quelques dizaines d'autres galaxies naines, Sculptor se trouve en orbite de notre galaxie. Les galaxies naines comportent beaucoup moins d'étoiles que les grosses galaxies, et sont réputées être dominées par la matière noire. On connaissait assez bien le mouvement propre de cette galaxie naine autour de notre galaxie, mais très mal le mouvement interne des étoiles qui la composent. Davide Massari (Institut Astronomique Kapteyn de Groningen, Pays Bas), et son équipe ont eu l'idée de combiner les mesures exceptionnellement précises des premières données de positions stellaires livrées par le télescope Gaïa en 2015 avec des données de Hubble qui avaient été enregistrées dans la même région du ciel douze ans auparavant. Le décalage des positions des étoiles entre les deux jeux de données permet de déterminer les vitesses propres individuelles des étoiles.

Malheureusement, les vitesses de toutes les étoiles de la galaxie naine n'ont pas pu être évaluées, les deux champs imagés par Hubble en 2012 étant assez petits et en bordure de Sculptor. Massari et ses collègues ont ainsi mesuré le mouvement propre d'une centaine d'étoiles, et pour une dizaine d'entre elles, choisies parmi celles offrant les incertitudes les plus faibles, les astronomes ont retrouvé dans les archives leurs vitesses radiales (vitesses le long de la ligne de visée), ce qui leur a permis finalement de reconstruire leur vitesse en 3 dimensions. C'est la première fois qu'une telle reconstruction de vitesse en 3D a pu être effectuée dans une galaxie naine.
La connaissance de la vitesse des étoiles en trois dimensions est un élément très important car elle permet de tester les modèles de dynamique stellaire associés à la présence de matière noire, surtout dans les galaxies naines sphéroïdales comme Sculptor. 

Les nouvelles données de vitesse indiquent que les étoiles de la galaxie naine se déplacent sur des orbites radiales plutôt allongées. A partir de là, Davide Massari et ses collaborateurs calculent la forme que doit avoir le halo de matière noire englobant Sculptor, et ils trouvent que la distribution de matière noire possède un pic de densité vers le centre. De tels profils à pics de densité sont prédits par des simulations de la distribution de matière noire à grande échelle dans le scénario cosmologique standard.  


Bien que ces premiers résultats semblent prometteurs, l'échantillon exploité n'est pas très grand et des données plus nombreuses seront nécessaires pour placer des contraintes plus fortes sur la distribution de matière noire dans cette galaxie naine, les chercheurs le reconnaissent volontiers. Le point crucial est de pouvoir exploiter des données de positions stellaires typiquement à 10 ans d'intervalle, et ici, bien que Gaïa eut enregistré la position de milliers d'étoiles, Hubble n'avait imagé en 2002 qu'une centaine d'étoiles en commun dans cette zone.
Gaïa, lui, cartographie tout le ciel depuis son lancement en décembre 2013. Sa deuxième livraison de données, prévue en avril 2018, offrira non seulement les positions très précises de plus d'un milliard d'étoiles, mais aussi leur mouvement propre. Les mouvements individuels des étoiles dans Sculptor ne pourront pas encore y être déterminés avec une précision suffisante, mais on connaîtra déjà avec une bonne précision le mouvement d'ensemble de la galaxie naine autour de la Voie Lactée. Le mouvement propre d'autres galaxies naines sera également accessible dans ces futures données astrométriques de 2018.
Il faudra attendre les dernières livraisons de données de Gaïa, fondées sur plusieurs années de mesures de positions, pour obtenir les mouvements propres précis de plusieurs milliers d'étoiles individuelles dans plusieurs galaxies naines satellites. 
L'agence spatiale européenne vient justement d'approuver la semaine dernière une extension de 18 mois de la mission Gaïa, initialement prévue pour durer 5 ans, ce qui mènera au moins jusqu'à 2020. L'étude des vitesses des étoiles individuelles dans les galaxies naines, qui requièrent de longues périodes de mesures, a visiblement pesé dans la balance...


Source

3D motions in the Sculptor dwarf galaxy as a glimpse of a new era
D. Massari, et al.
Nature Astronomy (27 november 2017)


Illustrations

1) La galaxie naine Sculptor (ESO)

2) Vue d'artiste du télescope astromètre Gaïa (CNES)

vendredi 24 novembre 2017

Les neutrinos énergétiques ne traversent pas la Terre

Un résultat très intéressant du détecteur de neutrinos IceCube vient d’être publié. Il donne une mesure de comment les neutrinos astrophysiques les plus énergétiques sont arrêtés par la Terre lorsqu’ils la traversent. 




jeudi 23 novembre 2017

Les orages à l'origine de réactions photonucléaires


Pour la première fois, des physiciens japonais ont mis en évidence la production de réactions photonucléaires dans les orages, où des photons gamma de haute énergie qui sont produits par les électrons accélérés dans les éclairs induisent des réactions sur les noyaux d'atomes d'azote pour en éjecter des neutrons et produire des éléments radioactifs émetteurs de positrons.




mercredi 22 novembre 2017

Nos nuits noires disparaissent de plus en plus


Cinq ans de suivi satellitaire de notre planète montrent qu'il y a de plus en plus d'éclairages artificiels durant la nuit et que ces lumières sont de plus en plus intenses. La surface éclairée et l'éclat produit augmentent au rythme d'environ 2% par an, rendant nos nuits de moins en moins noires, avec des effets néfastes non seulement pour la faune, la flore et nous, mais aussi sur la pratique ancestrale de l'observation du ciel...



dimanche 19 novembre 2017

Un "serpent cosmique" utilisé comme sonde astrophysique


Le "Serpent Cosmique" ("Cosmic Snake") est une structure très étonnante, une structure très allongée qui semble s'étendre sur le bord d'un amas de galaxies massif. Il s'agit en fait d'une illusion, un effet de lentille gravitationnelle où se retrouvent entremêlées quatre images de la même galaxie située bien plus loin en arrière plan de l'amas MACS1206.2-0847. Mais ces quatre images très déformées et amplifiées sont modifiées différemment par la courbure de l'espace-temps, ce qui apporte de précieuses informations qu'ont exploitées une équipe d'astrophysiciens étudiant la formation des étoiles dans les galaxies très lointaines.

C'est le télescope spatial Hubble qui a permis de voir en détails le "serpent cosmique", et plus exactement le programme Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH). La galaxie démultipliée qui le compose montre également une cinquième image, mais elle située de l'autre côté de l'amas MACS1206.2-0847. 
Antonio Cava et ses collègues s'intéressent aux processus de formation des étoiles qui ont lieu dans les galaxies très distantes. Des observations avaient montré la présence de grumeaux de gaz géant de plusieurs milliers d'années-lumière de large, alors que l'on ne retrouve pas ce type de structure dans les galaxies plus proches. Avant de conclure sur des processus différents dans le formation stellaire, il subsistait un doute sur les effets de résolution des images obtenues sur les galaxies les plus lointaines. C'est là que l'intérêt du "Serpent Cosmique" surgit : les quatre images de la même galaxie qui forment le serpent ne sont pas amplifiées de la même façon entre elles et surtout avec la cinquième image, ce qui donne une sorte de vision du même objet avec des "grossissements" différents, des niveaux de résolution différents.  Alors que la cinquième image, isolée et moins déformée, est amplifiée par un facteur 5, les images formant le serpent le sont jusqu'à un facteur 100.

Antonio Cava et ses collaborateurs ont étudié plus particulièrement les régions formant des grumeaux de gaz où se forment quantité d'étoiles. Ils publient leurs résultats dans Nature Astronomy. Ce que voient les chercheurs dans cette galaxie de 40 milliards de masses solaire qui produit des étoiles au taux de 30 masses solaires par an, c'est qu'au lieu de quelques grumeaux de gaz très vastes, la galaxie montre en fait un grand nombre de plus petits grumeaux, pas si différents de ceux qui peuvent être observés dans des galaxies proches. La différence de taille était de l'ordre de 1000 entre les grumeaux de gaz des galaxies lointaines et des galaxies proches. Cava et ses collègues ramènent cet écart à un facteur 10 grâce à leurs observations du serpent cosmique.

Des astronomes qui étudiaient les régions de formation stellaire dans des galaxies proches avaient déjà réalisé que s'ils les observaient sans une résolution suffisante, cela pouvait produire une vue "moyennée" ayant pour effet de fusionner les petits grumeaux pour les faire apparaître comme des plus grosses entités. Il semble donc que cet effet de fusion virtuelle de grumeaux de gaz soit à l'oeuvre dans l'observation, difficile, des galaxies très distantes. 

Source

The nature of giant clumps in distant galaxies probed by the anatomy of the cosmic snake
Antonio Cava, Daniel Schaerer, Johan Richard, Pablo G. Pérez-González, Miroslava Dessauges-Zavadsky, Lucio Mayer & Valentina Tamburello
Nature Astronomy (2017)


Illustration

Les sous-structures du "Serpent Cosmique", images multiples et grumeaux de formation d'étoiles  (Cava et al., Nature Astronomy)

vendredi 17 novembre 2017

L'excès de positrons ne provient pas des pulsars proches


Grâce à une mesure inédite de la région d'émission gamma entourant deux pulsars proches avec le détecteur HAWC, une grande collaboration internationale arrive à déterminer que les positrons détectés en excès sur Terre ne viennent pas de ces pulsars mais auraient une toute autre origine...