Les 8 Mystères de l'Astronomie

La revue Science en faisait sa couverture le 1er juin : les Mystères de l'Astronomie... Les rédacteurs de la célèbre revue américaine ont sélectionné, sur l'avis de nombreux spécialistes, 8 mystères astrophysiques, qui sont aujourd'hui incompris et qui devraient pouvoir être élucidés par l'observation, à moins qu'ils ne le soient jamais. Ils restent autant de questions très intrigantes... Nous allons passer en revue un à un ces grand mystères d'aujourd'hui.

1/ Qu'est ce que l'Energie Noire ?

C'était il y a 14 ans, la découverte de l'énergie noire a bouleversé l'astrophysique. Deux équipes d'astronomes et astrophysiciens étudiaient des explosions d'étoiles distantes appelées supernovae Ia pour mesurer l'évolution de l'expansion de l'Univers dans le temps. Alors qu'il s'attendaient à observer un ralentissement de cette expansion, ils découvrirent à l'inverse une accélération de cette expansion, comme si une mystérieuse énergie sombre étirait l'espace. La nature de cette énergie noire (ou énergie sombre) est probablement le mystère le plus profond de la cosmologie et de l'astrophysique. Et cela pourrait le rester longtemps et une part du mystère vient du fait que nous n'avons aucune idée si nous pourront y trouver une réponse.

L'Energie Noire peut être trois choses différentes. Premièrement, cela pourrait être simplement une propriété de l'espace vide lui-même. La théorie de la relativité générale d'Einstein permet justement l'existence d'une telle propriété sous la forme d'une constante cosmologique, qui serait une propriété de l'espace-temps.

Téléscope Blanco (NOAO/AURA/NSF)

Deuxième possibilité : l'énergie noire pourrait être quelque chose comme un nouveau type de champ de force qui occupe tout l'espace, un peu comme l'air remplit un ballon. Cette deuxième solution est appelée "quintessence".

Troisième possibilité et non des moindres, l'énergie noire pourrait n'être qu'une simple illusion, le signe que les physiciens ne comprennent pas encore correctement la gravité.

Dans le but de déterminer la bonne solution, les astrophysiciens cherchent à répondre à une question-clé : Comment varie la densité de l'énergie noire lorsque l'Univers s'étend ? Si l'énergie noire est une constante cosmologique, comme son nom l'indique, sa densité devrait rester constante. Si au contraire il s'agit de quelque chose contenu dans l'espace, sa densité doit décroître avec l'expansion.

Cette question revient à mesurer l'ultrasimple équation d'état de l'énergie noire et notamment un paramètre nommé w, qui doit être égale à -1 dans le cas d'une constante cosmologique et environ -0.9 dans le cas de la quintessence.

Les astronomes disposent de deux types de mesures pour tester ces hypothèses. 

La première cherche à reconstruire le plus précisément possible l'histoire de l'expansion de l'Univers, par exemple en étudiant les chandelles cosmiques que sont les supernovae Ia, dont on mesure la distance en connaissant parfaitement leur luminosité intrinsèque, ou encore en étudiant ce qu'on appelle les oscillations acoustiques baryoniques dans le fond diffus cosmologique.

La seconde famille de mesures cherche à détecter les effets de l'énergie noire sur la formation des grandes structures de l'Univers. Par exemple, l'énergie noire devrait gêner la formation des amas de galaxies en étirant l'espace. Il suffit ainsi de simplement compter les amas de galaxie de certaines tailles pour en déduire des précieuses informations sur l'énergie noire...

télescope EUCLID (EADS)

Évidemment, pour essayer de parvenir à cette ultime compréhension, les astronomes utilisent toutes ces techniques sans exception. A la fin de cette année va débuter une grande collaboration rassemblant plus de 120 astrophysiciens autour du projet DES (Dark Energy Survey), qui exploitera le télescope Blanco de 4 m du Cerro Tololo au Chili pour observer environ 250 millions de galaxies, cataloguer 100 000 amas de galaxies et enregistrer 4000 supernovae. De quoi affiner l'équation d'état de l'énergie noire.

Peut-être pourront-ils même répondre à la question "l'énergie noire existe-t-elle vraiment ? Ou bien y a-t-il un trou dans la raquette einsteinienne ?

Par exemple, si les résultats obtenus sur les supernovae et sur les amas de galaxies sont incohérents, cela signifiera que c'est bien la théorie de la relativité générale qui a du plomb dans l'aile...

Au delà de cet effort de recherche de cette année, l'agence spatiale européenne voit encore plus loin avec le projet prévu pour la fin de la décennie (et 570 millions de dollars) de satellite appelé Euclid, qui aura pour objectif d'étudier l'énergie noire via l'observation des oscillations acoustiques baryoniques et des effets de microlentilles gravitationnelles.

Un télescope terrestre est aussi en prévision, le Large Synoptic Survey Telescope (8.4 m), entièrement dévolu à l'énergie noire par les différentes techniques mentionnées.

Mais l'énergie noire risque de ne jamais révéler sa nature... Les données actuelles permettent de donner une valeur à w de -0.98 plus ou moins 10%, ce qui est compatible à la fois avec la solution constante cosmologique et la solution quintessence. Et les théoriciens ne savent pas dire de combien w devrait être éloigné de -1 si il s'agit bien de quintessence. Si par exemple, les futures données conduisent à une valeur de disons -0.99 plus ou moins 1%, cette valeur serait toujours ambigüe : cohérente avec les deux solutions. 

Mais la plupart des astrophysiciens restent tout de même optimiste en espérant que la nature sera coopérante avec eux et qu'ils pourront déterminer l'origine de cette énergie noire.

Cela vaut certainement le coup de passer dix ans de sa carrière sur cette question...

2/ Quelle est la température de la Matière Noire ?

Cela fait des décennies que les astronomes pensent qu'une sorte de matière invisible, une matière sombre (ou matière noire) permet de lier les galaxies. Nous ne savons toujours pas ce dont il s'agit mais cela pourrait bientôt changer. Même si les physiciens des astroparticules ne parviennent pas à mettre en évidence cette matière sous forme de particules furtives, les astronomes seront bientôt en mesure de déterminer quelques caractéristiques par des moyens purement astronomiques.

Citons en particulier les études sur les galaxies naines, qui peuvent permettre de tester si la matière noire est plutôt "froide", comme le suggèrent la plupart des modèles actuels, ou bien si elle serait plutôt "chaude". Cette notion de température n'a pas grand chose à voir avec la température comme nous la concevons. 

simulation d'Univers (DEUS consortium)

Il s'agit, dans le cas de particules, de savoir quelle énergie elles ont, ou encore quelle vitesse (chaud=relativiste, froid= non relativiste, pour faire court). Cette notion de température est donc liée à la masse des particules en question.

Il faut rappeler que les premiers signes de matière sombre apparurent en 1933 quand Fritz Zwicky trouva que les galaxies situées dans l'amas de Coma avaient de tels mouvements relatifs qu'elles n'auraient jamais du rester liées gravitationnellement entre elles. Une matière additionnelle invisible devait permettre le comportement observé.

C'est seulement quarante ans plus tard que cette idée rejaillit dans l'esprit fécond de l'astrophysicienne Véra Rubin, qui convergea vers la même idée, mais appliquée aux étoiles au sein d'une galaxie.

Mais les plus grandes évidences de l'existence de matière noire viennent de récentes mesures cosmologiques des origines de l'Univers. Le satellite WMAP qui mesura les anisotropies du fond diffus cosmologique en 2003 permit de montrer que la matière Noire représentait environ 85% de toute la matière.

Des astrophysiciens se sont également intéressés à cartographier les galaxies pour déterminer les structures à grande échelle de l'Univers. les astronomes du Two degree field galaxy redshift survey ont par exemple cartographié 220 000 galaxies et ont trouvé de vastes formes en feuillets. Parallèlement, des simulations toujours plus performantes ont permis de littéralement voir l'invisible, ou comment de vastes filaments et bulbes de matière noire se sont formés avant de laisser les galaxies se condenser au sein de grands halos. Ces simulations reproduisent si fidèlement les distributions statistiques des galaxies que le scénario est devenu le modèle standard de la cosmologie.

Mais aujourd'hui cependant, certains astronomes se demandent si ce modèle est juste. Pour reproduire ces structures en filaments, les théoriciens supposent que la matière noire est froide, c'est à dire des particules ayant une vitesse faible et une grande masse (comprise entre 1 Gev et 1000 GeV). Mais les simulations de matière noire froide ont leur petits problèmes. Par exemple, elles produisent des myriades de petits halos. Si ces halos attiraient suffisamment de gaz pour former des galaxies, alors notre Galaxie devrait être entourée par des milliers de galaxies naines. Or, on n'en observe qu'une vingtaine!.., en déduisant que les petits halos n'existent pas. Cette incohérence est appelée dans le jargon le "problème des satellites manquants". Et ce point est fondamental pour l'existence même de la matière noire froide.

Amas de galaxie Abell 2218

D'autre part, les simulations de matière noire froide prédisent également que la densité d'un halo de matière noire devrait être maximale en son centre. Mais au lieu de cela, les observations suggèrent que les galaxies ont des cœurs plus larges dans lesquelles la matière noire serait distribuée de manière beaucoup plus homogène. Ce problème est appelé le "problème du cœur concentré". On peut tout de même noter que dans une vraie galaxie, les effets gravitationnels entre matière ordinaire et matière noire peuvent  masquer ces effets de concentration.

Que se passerait-il si la matière noire était un peu plus chaude ? Et bien, il n'y aurait pas formation de petits halos et les concentrations n'apparaîtraient pas...

Même les plus fervents partisans de la matière noire froide commencent à douter et à croire de plus en plus à la matière noire un peu plus chaude, c'est à dire des particules ayant une masse de seulement quelques keV.

Les physiciens des astroparticules et astrophysiciens ont quelques idées pour mesurer cette "température" : La première consiste à évaluer le plus précisément possible la masse de notre galaxie. En effet, le nombre de grosses galaxies satellites (3 au lieu de 10 prévues) dépend directement de notre masse...

Une autre idée est d'étudier les galaxies naines les moins lumineuses, dont certaines peuvent avoir moins de 100000 étoiles et être presque exclusivement composées de matière noire, et les comparer avec ce que disent les simulations.

Parallèlement, les physiciens pourraient bientôt détecter directement des particules de matière noire froide (des WIMPs, weakly interacting massive particles de plusieurs dizaines de GeV) ou les produire au LHC. Et si ce n'est pas le cas ? Et bien les observations astronomiques resteront l'unique moyen d'étudier la matière noire...

3/ Où sont les Baryons Manquants ?

Pour décrire l'Univers, on a besoin de savoir ce qu'il contient et où se trouvent ses composantes. Mais pour l'instant, les astronomes sont encore loin d'avoir complété l'inventaire. Ce n'est pas seulement le cas pour l'énergie noire et la matière noire, qui représentent ensemble 96% de l'Univers, mais aussi une partie des 4% de matière dite baryonique : et oui, plus de la moitié de ces 4% restant manquent à l'appel! Par matière baryonique, on entend la matière ordinaire : atomes, ions, protons, neutrons, etc qui composent les étoiles, les planètes, la poussière, le gaz, ...

Illustration d'artiste du WHIM  (NASA/Chandra)

Le terme "baryonique" vient du fait que ses constituants élémentaires : protons et neutrons sont des particules appelées des baryons.

Les cosmologistes ont calculé la densité de baryons dans l'Univers primordial à partir de mesures du fond diffus cosmologique. Même si l'univers a beaucoup évolué en 13,7 milliards d'années, sa quantité de baryons devrait toujours être là. Or il n'en visiblement rien... Leur nombre chute mystérieusement, comme si ils s'évaporaient dans le temps. En analysant la lumière de quasars distants afin de quantifier le deutérieum dans des nuages baryoniques anciens, les astrophysiciens arrivent à déduire que presque tous les baryons primordiaux étaient encore là il y a 10 milliards d'années. En revanche, lorsqu'ils étudient l'Univers récent en additionnant les masses des étoiles, du gaz, et de tout ce qu'ils peuvent observer, la quantité obtenue n'est que de la moitié.

Bien que les galaxies semblent être les objets les plus massifs de l'Univers, elles ne participent que de l'ordre de 10% de sa masse "baryonique". Un autre 10% provient de gaz chaud situé entre les galaxies, un autre 30% vient de nuages de gaz froid situé également dans les interstices intergalactique.

Les astrophysiciens pensent que les 50% manquant se trouvent entre les galaxies sous forme d'un plasma chaud et diffus, qui aurait une densité un million de fois plus faible que celle du gaz trouvé entre les étoiles.

Ils appellent cette matière le WHIM (Warm-Hot Intergalactic Medium).

La température de ce milieu est si élevée (entre 100000 K et 10 millions K) qu'il est très ionisé et ne peut absorber et émettre que dans les longueurs d'ondes de l’ultra violet lointain ou des rayons X mous. A cause de ces caractéristiques, la lumière qui passe à travers ce milieu ne produirait pas de lignes spectrales dont les astronomes raffolent pour leurs études sur le gaz interstellaire. La détection du WHIM est ainsi un vrai challenge.

Parmi les pistes utilisées pour traquer ce WHIM, une est d'utiliser des raies spectrales de Oxygène VI (ionisé 6 fois). Cette méthode a notamment été utilisée pour observer les environs de 42 galaxies proches avec le spectrographe du télescope spatial Hubble. Jason Tumlinson et al., du Space Telescope Science

Simulation de la répartition du WHIM (en bleu) entre les galaxies (NCSA/University of Colorado

Institute ont ainsi pu découvrir que cet environnement cirumgalactique contenait presque autant de matière baryonique que les étoiles contenues dans les galaxies. Cela fait avancer un peu le problème, mais ce dernier reste entier.

Une variante de ce mystère est alimentée par le déficit de baryons apparaissant au sein des halos de matière noire abritant les galaxies. Là aussi, les baryons manquent. Et le déficit est plus important dans les petites galaxies que dans les grands amas de galaxies. Certains astronomes pensent que cela pourrait être du au fait qu'elles n'auraient pas assez de force gravitationnelle pour retenir  leur gaz lors d'événements violents (explosions de supernovae, ...) en expulsant dans l'espace intergalactique.

La prise en compte des baryons manquant à la fois à l'échelle cosmique et à l'échelle locale (galactique) devrait aider les astrophysiciens à mieux comprendre comment ont évolué galaxies et grandes structures.

Comme cette matière à faible densité est un réservoir de base pour la formation de nouvelles étoiles, et que son flux vers et hors des galaxies joue un rôle très important dans leur évolution, la recherche de ces baryons manquants est devenue une clé pour comprendre comment l'Univers est devenu ce qu'il est aujourd'hui.

4/ Comment explosent les Etoiles ?

De nombreuses étoiles, après avoir brillé des millions ou des milliards d'années meurent dans une furie de rayonnements. Elles explosent dans une gigantesque boule de feu appelée Supernova, produisant alors une luminosité équivalente à des milliers de soleils.

La façon dont ces étoiles explosent est un sujet d'étude depuis des décennies. Ces dernières années, les avancées informatiques ont permis aux astronomes de simuler les conditions internes des étoiles avec toujours plus de raffinements, leur permettant d'un peu mieux comprendre la mécanique des explosions d'étoiles. Cependant, de nombreux détails sur ce qui se passe exactement à l'intérieur de l'étoile menant à son explosion restent encore mystérieux.

Image composite des résidus de l'explosion SN 1987A (X/visible) (NASA)

Toutes les étoiles sont alimentées par le même processus physique de fusion de l'hydrogène en hélium, puis de la fusion progressive de ces éléments légers en éléments plus lourds comme le carbone, l'oxygène et jusqu'au fer. Ce qui se passe quand l'étoile a consommé tout son carburant dépend très fortement de sa masse et d'autres facteurs. C'est ce qui implique l'existence de différents types de supernovæ.

Les supernovæ de type II apparaissent avec des étoiles qui font au moins 8 fois la masse du soleil. Après qu'une telle étoile a brûlé tout le carburant dans son cœur devenu un cœur de fer, elle cesse d'émettre du rayonnement. Ce cœur ne peut alors plus contrebalancer la gravitation par une pression de radiation. La matière du cœur s'effondre sur elle-même et sous le poids des couches plus externes. Le cœur se retrouve sous forme d'une boule de neutrons et une énorme onde de choc vers l'extérieur propulse les couches externes de l'étoile à très longue distance. Il ne reste plus qu'une étoile à neutrons.

On pourrait penser que plus l'étoile initiale est grosse plus la supernova est puissante. Et bien pas du tout! Les étoiles qui ont une masse de 20 ou 25 fois celle du soleil ne produisent pas de supernovæ de type II.

Ces étoiles plus massives possèdent une couche dense d'oxygène et de silicium juste au dessus de leur cœur de fer, qui est lui-même bien plus gros. Lorsque l'effondrement du cœur débute, les couches denses superficielles tombent dessus au lieu d'être expulsées, et il s'ensuit la formation quasi immédiate d'un trou noir...

Une autre catégorie d'explosions très étudiée est la supernova de type Ia, celles-là même qui ont permis au cosmologistes de déduire l'existence d'une expansion accélérée. Les astrophysiciens pensent que ce phénomène apparaît dans des systèmes binaires impliquant au moins une naine blanche. Dans le scénario classique, la naine blanche accrète du gaz de sa compagne jusqu'à atteindre la masse fatidique de 1,38 masses solaires. Et là elle s'effondre.

Vue d'artiste d'un système binaire pré explosif.

Mais des questions restent en suspend concernant ce scénario. Les astronomes ne savent pas exactement quelle masse devrait avoir l'étoile compagnon pour que cela puisse arriver. Ils voudraient également comprendre plus en détail la mécanique de l'explosion, comme par exemple combien il faut de temps à la naine blanche pour dépouiller sa compagne avant de finir sa vie en beauté... On ne sait pas non plus exactement la séquence qui se déroule dans les tous derniers instants.

Afin d'en savoir plus, des équipes de chercheurs étudient les signatures "post explosion", qui sont les seules accessibles, l'explosion en tant que telle durant si peu de temps, on ne peut accéder qu'aux instants d'après. Et ils essayent alors de comparer les observations aux modèles théoriques qui sont construits, comme par exemple sur la composition des débris, leur vitesse d'expulsion, et comment la lumière y est produite.

Les astronomes parviennent à obtenir encore plus d'informations en regardant les bouffées de rayons gamma (GRB, Gamma Ray Bursts), qui sont ces flashes intenses et très brefs de rayons gamma émis par ces étoiles mourantes. Par exemple, un GRB qui dure plus de 2 secondes est estimé être émis par une étoile massive à rotation rapide au moment où elle s'effondre pour former un trou noir. Un disque tourbillonnant de matière stellaire se forme autour du trou noir, et lorsque cette matière est accélérée, deux jets de rayons gamma sont produits perpendiculairement au plan du disque d'accretion.

L'utilisation du satellite Swift a récemment permis d'observer des supernovæ dans des instants très proches de l'explosion. Mais même si ces observations permettent de confirmer fermement le lien existant entre GRB et explosions, en revanche, les astrophysiciens ne savent toujours pas précisément comment ces supernovæ se façonnent et explosent. 

Pour certains, la formation du trou noir, suivi du développement du disque d'accretion à l'origine de l'émission des flashes gamma apparaît être un chemin évolutif capable de mener à des supernovæ très puissantes. Pour d'autres, la rotation rapide du disque pourrait jouer un rôle très important dans le développement de l'explosion elle-même...

5/ Qu'est ce qui a réionisé l'Univers ?

Le modèle standard de la cosmologie, avec son histoire BigBangesque qui eut lieu il y a 13,7 milliards d'années a été confirmé sous de nombreux angles (mais pas tous) depuis plusieurs décennies. L'histoire qu'il raconte est simple : une époque primordiale (très mal connue), suivie d'une expansion associée à un refroidissement général; des irrégularités de densité primordiales qui se sont développées pour produire les structures de matière que nous connaissons aujourd'hui. 380000 ans après l'événement initial, la température devient suffisamment faible pour que les protons et les électrons restent associés par la force électrique, s'ensuit la libération des photons qui ne sont plus en équilibre avec les électrons. Ils forment le fond diffus cosmologique que nous connaissons.

Schéma des phases d'évolution de l'Univers (NASA)

Un pan de l'histoire des atomes d'hydrogène (protons+électrons) est moins connu :  quelques millions d'années après cette première lumière, quelque chose à réionisé les atomes, séparant à nouveau électrons et protons. Et cette fois, l'expansion les avait suffisamment dispersés pour qu'ils puissent se recombiner, et cette soupe de particules (plasma) était aussi assez diluée pour que les photons de lumière puissent la traverser sans interagir trop.

Mais qu'est ce qui a produit cette soudaine réionisation ? Personne ne sait avec certitude. On parvient d'une part à observer le CMB (fond diffus cosmologique) et les plus anciennes galaxies observées datent d'environ 800 millions d'années post-BigB. Mais la réionisation se situe entre les deux, durant cet âge sombre au cours duquel les premières étoiles et galaxies se sont formées, et que les astronomes ne parviennent pas (encore) à voir.

Une piste qui semblait sérieuse était que l'énergie nécessaire à cette ionisation proviendrait de rayonnement ultra-violet émanent des premières étoiles des premières galaxies. Dans cette théorie, les galaxies produiraient des sortes de bulles d'hydrogène ionisé qui grossiraient jusqu'à fusionner et faire disparaître tout l'hydrogène neutre.

Mais malheureusement, les astrophysiciens en étudiant et extrapolant à partir des galaxies très distantes et celles plus proches en arrivent à la conclusion qu'ils n'y avait pas assez de galaxies pour fournir l'énergie UV nécessaire.

Une alternative pourrait être apportée par d'autres objets astrophysiques comme par exemple des trous noirs supermassifs ou encore des particules de matière noire s'annihilant, capables de mener à une destruction de l'hydrogène neutre.

Les réponses ne peuvent venir qu'en allant voir les galaxies les plus lointaines (jeunes), c'est tout l'enjeu des très grands télescopes qui vont voir le jour dans les prochaines décennies, qui devraient pouvoir atteindre des galaxies à 300 millions d'années post-BigB. Le télescope James Webb, devant être mis en orbite vers 2018 devrait même pouvoir atteindre des galaxies à 200 millions d'années post-BigB.

Certains astronomes, au lieu de chercher des objets pouvant être à l'origine de la réionisation de l'hydrogène, se sont engagé dans une démarche plus élégante : regarder l'hydrogène lui-même.

Vue d'artiste du SKA (SKA Project Development Office)

L'hydrogène neutre possède une caractéristique que n'a pas l'hydrogène ionisé : une raie spectrale, de longueur d'onde de 21 cm.

Ces photons de l'hydrogène émis très loin dans le temps et l'espace voient leur longueur d'onde étirée à plusieurs mètres par l'expansion cosmique (phénomène de décalage vers le rouge, ou redshift). En essayant de capter ces photons à différents redshifts avec des radiotélescopes, eux aussi toujours plus grands, les astronomes espèrent pouvoir cartographier les frontières des bulles d'hydrogène ionisé autour des galaxies et ainsi pouvoir déterminer l'origine de l'ionisation. Par exemple, comme les trous noirs émettent à la fois des rayons X et des rayons ultra-violet, ils doivent ioniser le milieu plus uniformément que d'autres source ne le feraient.

Les observations détaillées devront sans doute attendre le puissant radiotélescope Square Kilometer Array (SKA) que vont se construire l'Australie et l'Afrique du Sud dans la prochaine décennie.

Mais il existe aussi une autre approche qui pourrait apporter quelques réponses plus rapidement, c'est d'étudier comment l'hydrogène s'est refroidi après avoir été chauffé dans le processus de réionisation. Du gaz chaud qui se serait refroidi lentement suggérerait que la source de réionisation pourrait être des quasars, fournissant des rayonnement beaucoup plus énergétiques que les simples étoiles. 

Comme le refroidissement affecte la façon qu'a l'hydrogène d'absorber la lumière, les astrophysiciens peuvent mesurer la température du gaz en regardant comment il modifie la lumière d'objets plus distants comme des quasars. Cette technique paraît plus simple que la traque à la raie de 21 cm décalée vers le rouge, mais son inconvénient est qu'elle ne marche vraiment que pour des zones entièrement ionisées, du coup elle ne permet que de voir ce qui se passe tout juste après la période de réionisation, et pas pendant...

Ces champs de recherche doivent explorer toutes les techniques possibles et imaginables, tant la zone recherchée reste obscure et pourtant cruciale pour comprendre la continuité de l'évolution de l'Univers.

6/ D'où viennent les Rayons Cosmiques Ultra-Energétiques ?

C'était il y a 50 ans. Les physiciens virent une particules qui n'aurait jamais du exister. Un rayon cosmique atteint un détecteur de l'expérience appelée Volcano Ranch, avec une énergie de 10²⁰ eV, soit 100 exa-électronvolts, une énergie si gigantesque pour ne particule qu'aucun phénomène connu ne pouvait lui avoir donner naissance. Près de 30 ans plus tard, un autre du même genre fut détecté dans le détecteur Fly's Eye dans l'Utah, avec une énergie encore plus élevée (300 EeV). La particule, un proton voyageant pratiquement à la vitesse de la lumière, avait l'énergie cinétique d'une balle de tennis lancée à 100 km/h. Les physiciens américains l'appelèrent la particule OMG (oh my god!).

Schéma des interactions de rayons cosmiques

D'où viennent ces trucs ? Le détecteur Fish's Eye a pu donner une direction approximative, mais rien ne put être mis en évidence dans cette partie du ciel.

Les japonais mirent en place un grand détecteur dans les années 1990 nommé AGASA et purent récolter une douzaine de particules d'environ 200 EeV. Les projets se multiplièrent donc par la suite. Ces dernières années, le plus fameux d'entre eux, l'observatoire Pierre Auger situé dans la Pampa argentine a donné des indices sur leur origine, mais toujours pas de source réellement identifiée.

Les astrophysiciens savent que ces rayons cosmiques sont composés pour la plupart de protons (89%) puis de noyaux d'hélium, d'électrons, et d'antimétière. Ils pensent que ceux qui ont énergie inférieure à 10¹⁰ eV viennent du soleil, et que ceux ayant une énergie entre 10¹⁰ eV et 10¹⁸ eV (1 EeV) viennent principalement d'ailleurs dans la galaxie.

Mais concernant les protons ayant des énergie de plusieurs centaines de EeV, il semblent qu'ils viennent de toutes les directions du ciel, et pas principalement du plan galactique, ce qui voudrait dire qu'ils viennent de l'extérieure de notre galaxie.

Plusieurs théories sont élaborées sur l'origine des ces particules hors normes : des points chauds de radiogalaxies énergétiques, de GRB ou encore de jets de trous noirs supermassifs. Mais des cosmologistes ont aussi émis des idées plus innovantes, comme par exemple la désintégration de particules élementaires exotiques créees au moment du bigBang ou bien encore l'effondrement hypothétique de défauts topologiques.

Quelle que soit leur origine, les rayons cosmiques les plus énergétiques viennent probablement de notre voisinage galactique. En effet, lors de leur voyage, ces particules perdent de l'énergie en interagissant avec les photons du fond diffus csomologique (CMB). Des particules qui traverseraient une distance de plus de 160 millions d'années lumières ne pourraient pas avoir une énergie supérieure à 50 EeV, la limite de Greisen-
Zatsepin-Kuzmin (GZK).

Observatoire Pierre Auger (partiel)

Les plus énergétiques rayons cosmiques dépassant cette limite viennent donc des quelques milliers de galaxies qui nous sont les plus proches.

L'observatoire Auger en 2007 avait détecté 27 rayons cosmiques de plus de 57 EeV et parvint à cartographier approximativement leur lieu d'origine, malgré les courbures introduites par les champs magnétiques galactiques, mais à cette énergie, les protons voyagent presque en ligne droite, ce qui aide. Les 27 rayons cosmiques trouvés venaient tous d'une zone éloignée de moins de 3° d'un noyau de galaxie actif (AGN) situé à moins de 250 millions d'années lumières. Mais l'équipe de Auger reste prudente et ne fait pas la corrélation, 3° correspond à une zone bien trop vaste. Aujourd'hui Auger comptabilise 113 rayons cosmiques au dessus de 55 EeV, toujours semblant provenir de zones non éloignées d'un AGN, mais de manière un peu moins évidente qu'attendu.

Alors que des restrictions budgétaires ont supprimé un projet d'observatoire similaire à Auger mais situé dans l'hémisphère Nord, il est tout de même envisagé de poursuivre ces études en orbite grâce à un module devant être placé sur la station orbitale internationale (le Extreme Universe Space Observatory) et qui détectera les interactions de rayons cosmiques dans l'atmosphère terrestre en les regardant par au-dessus. Lancement prévu en 2016.

L'origine des rayons cosmiques ultra énergétiques va probablement rester encore un petit moment un beau mystère et l'un des plus fascinants.

7/ Pourquoi le Système Solaire est-il si Bizarre ?

On a désormais pris l’habitude d’entendre parler de planètes étranges tournant autour d’étoiles lointaines, des petites Jupiter, des grosses Neptunes, des exoTerres, chaudes pour les unes, froides pour les autres, bref, des mondes étonnants. Mais on oublie peut-être bien vite que les mondes les plus étranges se trouvent tout près de nous, au sein même de notre système solaire.

Cela fait maintenant une petite cinquantaine d’années que nous envoyons régulièrement des sondes spatiales en direction des confins du système solaire et qu’elles nous retournent des images de plus en plus fabuleuses et étonnantes. Et a ceux qui auraient souhaité obtenir une image simple de la formation de notre système solaire, ces sondes leur disent : va voir ailleurs !

Aujourd’hui, des énigmes comme la composition interne de Mercure (un gros cœur de fer entouré d’une fine couche de roche) ou encore le champ magnétique chaotique d’Uranus laissent plus d’un planétologue perplexe…

Pendant très longtemps, peut-être depuis sa découverte en 1930, le plus étrange des mondes planétaires était Pluton, avec son orbite décalée, inhomogène, sa taille non conventionnelle, avant que l’on s’aperçoive qu’elle n’était que l’une des plus grosses boules de glace qui orbitent dans ces environs et n’était pas une planète…

Les mystères entourant les huit autres vraies planètes sont encore plus troublants. Prenons les quatre les plus proches du Soleil : Mercure, Venus, Terre et Mars. Toutes possèdent des couches externes rocheuses et un cœur métallique, mais ce sont leurs seules ressemblances. La Terre et Vénus ont à peu près la même taille, masse et composition, mais alors que la Terre est munie d’une atmosphère très agréable, celle de Vénus est ultra-dense, acide et suffisamment chaude pour faire fondre du plomb. La Terre est une planète-océan. Il semble que Vénus n’en ait jamais connu. La Terre possède de multiples plaques tectoniques qui supportent les continents, Vénus ne possède qu’une unique couche rocheuse immobile. La Terre a un champ magnétique généré par les mouvements de son cœur de fer liquide, elle à une grosse Lune et tourne sur elle-même 365 fois par orbite. Vénus n’a ni lune, ni champ magnétique, et elle tourne (à l’envers) moins d’une fois par année vénusienne.

La paire Mercure – Mars n’est pas mieux lotie dans la comparaison : Mars fait deux fois la masse de Mercure mais son champ magnétique s’est éteint depuis bien longtemps. La petite Mercure au contraire, produit toujours un champ magnétique, même si très faible et centré loin du centre de la planète…

Leurs couches internes diffèrent également. Mars ressemble d’avantage à la Terre : cœur métallique, enveloppe rocheuse. Mercure est presque entièrement métallique. Et on apprit l’année dernière que Mercure avait probablement été « fabriquée » par de la matière primordiale différente des autres planètes telluriques.

Les quatre autres planètes, gazeuses, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, ont environ 20 fois la masse de la Terre et orbitent à des distances 20 à 30 fois plus lointaines du soleil, une zone où il existait peu de matière lors de la naissance du système solaire.

Jupiter possède littéralement un mini-système solaire à elle avec quatre gros satellites (et de nombreux petits), alors que Saturne n'a qu'un seul gros satellite mais ces merveilleux anneaux (et toujours une myriade de petits)... Quant aux champs magnétiques de ces planètes externes, ils sont tout sauf classiques. Celui de Jupiter est légèrement incliné par rapport à son axe de rotation conformément à la théorie, mais celui de Neptune atteinte une inclinaison de 47° et pour Uranus, encore pire avec 60° sans qu'on ait la moindre idée de l'origine de ce phénomène.

Et pour Saturne ? Et bien son champ magnétique est parfaitement aligné avec son axe de rotation...

Évidemment la distance au soleil des différentes planètes joue beaucoup dans leur évolution, comme par exemple pour l'effet de serre catastrophique que subit Vénus. Certaines planètes semblent tout de même ne pas être à leur place naturelle, et certains planétologues émettent l'idée que quelques unes d'entre elles auraient pu changer d'orbite au cours de leur histoire. Neptune par exemple aurait pu se former à bien plus grande proximité du Soleil, où l'agglomération de matière aurait été beaucoup plus aisée, puis être rejetée vers les confins du système.

Expliquer la grande diversité planétaire observée relève cependant de la traque de l'inconnu. Les hypothèses actuelles évoquées sont par exemple que Mercure se serait formée avec une grosse enveloppe rocheuse, mais qui aurait été soufflée par la collision d'une autre planète en formation de sa taille; Un autre choc, sur Uranus celui-là aurait provoqué sa rotation axiale (de près de 90°) et bousculé son coeur rocheux, se qui aurait induit l'effet observé sur son champ magnétique.

Mais inférer de tels événements très rares ayant eu lieu dans les premiers instants du système solaire est quand-même problématique, les astronomes en sont conscients. Ils peuvent très bien faire varier quantité de paramètres dans leurs modèles qui marcheront très bien, sans jamais mettre le doigt sur la bonne explication.

Ils ont maintenant besoin d'un échantillon plus grand pour pouvoir faire des corrélations, voire de la statistique. L'étude des exo-systèmes solaires devient alors cruciale pour rendre enfin le bizarre, logique.

8/ Pourquoi la Couronne Solaire est-elle si Chaude ?

Oui, le soleil est chaud, vous le saviez. 15 millions de degrés Kelvins dans son cœur fusionnant de l'hydrogène et très exactement 5780 °K à sa surface visible. Mais depuis un bon siècle, les astrophysiciens ne comprennent pas comment il se fait que la couronne, cette couronne de lumière entourant notre astre préféré, qu'on peut apercevoir lors d'éclipses totales, que cette couronne disais-je, puisse atteindre une température aussi élevée que 1 million de degrés, voire plus.

Comment la température peut-elle être ainsi multipliée par 200 au dessus de la surface solaire ?

La couronne solaire

Le seul consensus qui semble exister parmi les astrophysiciens spécialistes du soleil est qu'il existe une quantité monstrueuse d'énergie en dessous de la surface solaire et que le champ magnétique du soleil est capable de transporter cette énergie vers l'extérieur. Comment le champ magnétique peut transporter cette énergie est déjà plus débattu. Comment l'énergie est transférée à la couronne est en revanche un pur mystère. Cependant, des décennies de recherche ont permis de trier les théories et autres hypothèses pour ne conserver qu'une demi-douzaine de variantes de deux mécanismes principaux.

Un candidat populaire est un chauffage par ondes magnétiques : les lignes de champ magnétique vibreraient en formant des oscillations; on appelle ses ondes des ondes de Alfven. Connues en laboratoire depuis longtemps, ce n'est que récemment que les astrophysiciens ont pu en observer émergeant du soleil. Cependant, personne ne sait encore si elles peuvent transporter suffisamment d'énergie pour réchauffer toute la couronne ou, si elles y parviennent, comment cette énergie peut y être convertie en chaleur.

L'alternative à l'échauffement magnétique est apportée par l'idée des nano-éruptions, qui apparaitraient quand des lignes de champ magnétique se cassent et se reconnectent. Ces reconnections produiraient des éjections de plasma superchaud à travers la couronne, mais savoir si il y en a suffisamment délivrant assez d'énergie pour le chauffage coronal reste encore peu clair.

Des instruments récents étudient ce problème du chauffage coronal (on peut citer le Solar Dynamics Observatory de la NASA), mais les ondes magnétiques sont trop rapides pour être détectées et les nano-éruptions trop petites...

Et les astrophysiciens solaires ont beaucoup de mal à mesurer des paramètres physiques cruciaux comme les champs électriques, la résistance électrique, le niveau de turbulence des ondes. Tout ce qu'ils peuvent faire est inférer ces propriétés de manière assez peu précise. 

Illustration du projet Solar Orbiter (ESA)

La NASA, encore elle, prévoit de lancer fin 2012 un nouvel instrument nommé IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph). Par ailleurs, un nouveau télescope solaire est en construction à Hawaï, son miroir étant plus de deux fois plus gros que le plus grand télescope solaire actuel. Quant à l'agence européenne, elle n'est pas en reste puisqu'elle projette de lancer en 2017 le Solar Orbiter, qui s’intéressera plus particulièrement à ce qui se passe aux pôles du Soleil.

La clé se trouve peut-être au niveau de la chromosphère. La chromosphère est une couche de 5000 kilomètres qui sépare la surface solaire de la couronne (qui elle s'étend sur des millions de kilomètres). Car se qui chauffe la couronne passe forcément par la chromosphère.

Sans attendre les données des futures satellites, les astronomes s'amusent a recréer un soleil en simulation sur ordinateur, avec tous ses éléments : chromosphère, couronne, etc...

L'informatique parviendra-t-elle à résoudre ce mystère ? Elle peut en tous cas permettre de faire de l'astrophysique en laboratoire, sans devoir s'exposer aux coups de chaleur de l'été qui vient...

Source :

science, vol 336 (1 June 2012)

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