Matière Noire : vers une preuve indirecte par les rayons gamma des sous-halos ?

Dans de nombreux modèles de matière noire, les particules qui la forment sont des particules non-baryoniques qui ont le pouvoir de s'annihiler entre elles pour former des paires de particules-antiparticules qui finissent ensuite par produire des rayons gamma. Ces gamma hypothétiques peuvent être détectés, notamment par un télescope spatial spécifique qui s'appelle Fermi-LAT.

Depuis quelques années, un excès de rayons gamma a été observé en provenance du centre de notre galaxie, qui pourrait tout à fait correspondre à ce signal indirect d'annihilations de particules de matière noire, mais ces rayons gamma peuvent aussi provenir d'autres sources, plus "classiques" comme des étoiles à neutrons en rotation rapide qu'on appelle des pulsars.

Simulation de la densité de matière noire de la galaxie,
montrant la présence de milliers de sous-halos
(P. Madau et al. Astrophys.J. 679 (2008) 1260)

Mais la matière noire, en théorie, n'est pas concentrée que vers le centre de la galaxie, même si c'est le lieu privilégié pour la chercher. Il devrait exister au sein du halo de la galaxie des zones de plus grande densité de matière noire que les astronomes nomment des "sous-halos", sortes de bulles de matière noire. Les chercheurs qui ont identifié l'excès de rayons gamma en provenance du centre galactique ont calculé que si ces rayons gamma proviennent bien d'annihilations de particules de matière noire (des WIMPs), les sous-halos de la galaxie devraient produire eux aussi suffisamment de rayons gamma pour que le télescope Fermi-LAT puisse les détecter, sous la forme de sources gamma brillantes.

Jusqu'à aujourd'hui, Fermi-LAT a trouvé des centaines de sources gamma un peu partout dans le ciel, mais qui s'avèrent être très majoritairement des sources "classiques", sans lien avec la matière noire.

Une équipe américaine, conduite par le désormais célèbre Dan Hooper, le père de l'excès de rayons gamma du centre galactique comme preuve indirecte de la présence de WIMPs, est donc partie à la recherche de sous-halos dans les dizaines de sources gamma inconnues trouvées par Fermi-LAT.  

Les astrophysiciens ont une chance, car les rayons gamma des sous-halos devraient être légèrement différents des rayons gamma de sources "classiques" : si ils proviennent d'annihilations de matière noire dans des zones de surdensité, des sous-halos, ces rayons gamma doivent apparaître sur une zone un peu plus étendue que si ils proviennent d'un pulsar, qui lui, doit au contraire apparaître ponctuel.

Tout l'enjeu est là : découvrir une ou plusieurs sources gamma qui ne paraissent pas ponctuelles dans le ciel mais légèrement étendues. Même très légèrement étendues... Ce serait un signe sans équivoque et une confirmation de l'excès observé du centre galactique en tant que produit d'annihilations de particules de matière noire.

Et il se trouve que Bridget Bertoni, jeune chercheuse doctorante de l'université de Washington, avec Dan Hooper et Tim Linden de l'université de Chicago, montrent dans un article paru en preprint le 9 avril dernier, qu'une source gamma qui a été détectée par Fermi-LAT (parmi les 3033 sources détectées durant les 4 premières années de mission du satellite) possède effectivement une légère extension spatiale, avec en plus un spectre en énergie de ses rayons gamma qui pourrait être cohérent avec une WIMP d'une masse comprise entre 20 GeV et 50 GeV, soit dans la plage de masse la plus souvent attendue. Il faudra peut-être retenir le nom barbare de cette source gamma : J2212.5+0703

Le ciel en rayons gamma, vu par Fermi-LAT le 7 mars 2012. Une éruption
solaire a produit une bouffée de rayons gamma ce jour-là (en bas). (NASA)

Mais les chercheurs restent très très prudents et se refusent à annoncer leurs résultats comme étant une preuve ou une découverte, mais ils sont "very excited", comme le disent souvent les américains devant des données très intéressantes... Dan Hooper évoque notamment la nécessité d'observer J2212.5+0703 en multi-longueurs d'ondes pour en connaître plussur cette source. En attendant, la petite équipe continue à éplucher les catalogues de sources gamma de Fermi-LAT en cherchant plus de candidats de sous-halos potentiels. Ils ont déjà dans leur besace une liste de 24 sources, dont le spectre en énergie pourrait être produit par des WIMPs entre 20 et 70 GeV, et qui ne sont pas variables dans le temps, ce qui éloigne un peu une origine de type pulsar, les pulsars ayant par nature des émissions variables dues à leur rotation. Mais pour le moment, les analyses montrent que l'étendue spatiale de ces sources n'est pas aussi convaincante que celle de J2212.5+0703...

Les sources gamma détectées par le télescope Fermi-LAT sont bien réelles et pour beaucoup d'entre elles encore mal ou pas expliquées. L'hypothèse des sous-halos de matière noire, si elle se révèle exacte dans le futur, serait une jolie victoire pour Dan Hooper, qui a bien cru avoir trouvé la preuve dans le centre galactique il y a quelques années avant d'accepter que des sources classiques pouvaient donner un signal similaire. Ce ne serait plus le cas avec les sous-halos.

Source : 

Examining The Fermi-LAT Third Source Catalog In Search Of Dark Matter Subhalos

Bridget Bertoni et al.

http://arxiv.org/pdf/1504.02087v1.pdf

Environ 1000 galaxies ultra-diffuses dans l'Amas de Coma !

Il y a trois semaines, je vous annonçais la découverte de 47 galaxies d'un type très particulier, des galaxies "ultra-diffuses", de la taille de la voie lactée mais contenant beaucoup moins d'étoiles, donc très peu denses. Ces 47 galaxies avaient été découvertes dans un amas de galaxies très connu, l'amas de Coma. Mais aujourd'hui, une autre équipe  de chercheurs est partie à la recherche de ce même type de galaxies toujours dans l'amas de Coma, et ce n'est pas 47 galaxies ultra-diffuses (UDG) qu'ils trouvent, mais 854 !

Zone de l'amas de Coma de 550 000 x 550 000 années-lumière. Les cercles
verts indiquent les galaxies ultra-diffuses nouvellement découvertes,
les cercles jaunes sont des galaxies parmi les 47 précédemment
découvertes (J. Koda et al.)

C'est à l'aide du télescope Subaru de 8,4 m à Hawaï que les astronomes japonais menés par Jin Koda ont trouvé cette population impressionnante de galaxies ultra-diffuses. Leur découverte va bientôt paraître dans the Astropysical Journal Letters mais dans sa version preprint publiée sur Arxiv, on peut se rendre compte de l'ampleur de la trouvaille. Certaines galaxies parmi les 854 font partie des 47 déjà identifiées précédemment. Le point commun de toutes ces galaxies est qu'elles sont composées de vieilles étoiles et n'ont plus de gaz pour en produire de nouvelles.

Les astronomes pensent que c'est l'environnement de l'amas de galaxies qui est responsable de la disparition de leur gaz. Les interactions gravitationnelles de galaxies voisines arracheraient le  gaz qui serait ensuite expulsé par interaction avec le gaz interstellaire environnant. Et il semble même que lorsque les vieilles étoiles de ces galaxies explosent et éjectent leur enveloppe gazeuse, les galaxies ne parviennent pas à retenir ce gaz qui pourrait pourtant leur être précieux pour fabriquer de nouvelles étoiles. Là encore, l'environnement de l'amas galactique semble jouer pour récupérer tout ce gaz... 

Parmi ces 854 galaxies ultra-diffuses, pas moins de 332 ont la taille de notre Galaxie, soit environ 40%, et les astronomes japonais estiment que le nombre total de galaxies ultra-diffuses dans l'amas de Coma doit largement dépasser les 1000...

La distribution de ces UDG montre qu'elles sont concentrées vers le centre de l'amas, suggérant qu'elles sont de très anciennes membre de l'amas. Elles ont en moyenne une masse stellaire comprise entre 10 millions et 500 millions de masses solaires (seulement).

Parmi ces galaxies ultra-diffuses, quelques spécimens de la taille de la Voie Lactée apparaissent plus proches du centre de l'amas qu'estimé auparavant (la plus proche du centre n'en est éloignée que de 280 000 années-lumière), et leur survie dans de tels champs gravitationnels à forte composante d'effets de marée, malgré leur grande taille, fait dire aux astrophysiciens qu'elles seraient composées d'une fraction très importante de matière noire protégeant en quelque sorte les étoiles restantes...

D'ailleurs, leur composante baryonique serait  de l'ordre de 1% seulement, soit bien moins que la moyenne, ce qui indique bien une disparition du gaz (formé de baryons, matière "ordinaire") au profit d'un halo de matière noire non-baryonique (des particules massives).

A gauche : les 18 champs de recherche centrés autour du centre de l'amas de Coma (figuré par une croix verte), couvrant au total environ 15 millions x 15 millions d'années-lumière; le carré bleu représente la zone de l'image précédente. A droite, les UDG trouvées (cercles), les cerces bleu sont des UDG de la taille de la Voie Lactée, les croix rouges sont les 47 UDG découvertes précédemment. (Jin Koda et al.)

Si de telles galaxies ultra-diffuses étaient aussi communes que ce qui est observé dans l'amas de Coma, cela impliquerait qu'il devrait y en avoir plus de 100 000 dans un rayon de 330 millions d'années lumières nous entourant... or ce n'est pas ce que nous voyons. C'est une raison forte qui permet aux astrophysiciens d'affirmer que c'est l'amas de Coma qui a une caractéristique particulière à même de produire cette surpopulation de galaxies ultra-diffuses. 

Il serait maintenant très intéressant de trouver de telles galaxies de ce nouveau type UDG, dans d'autres amas de galaxies, histoire de mieux comprendre les mécanismes qui sont à leur origine. 

Source : 

APPROXIMATELY A THOUSAND ULTRA DIFFUSE GALAXIES IN THE COMA CLUSTER

Jin Koda et al.

A paraître dans The Astrophysical Journal Letters

http://arxiv.org/pdf/1506.01712v1.pdf

Observation exceptionnelle des détails d'une galaxie à 11,5 milliards d'années-lumière

C'est une observation exceptionnelle qui vient d'être rendue publique et qui fait l'objet de pas moins de 8 articles de plusieurs équipes d'astrophysiciens du monde entier. Une galaxie éloignée de 11,5 milliards d'années-lumière a pu être observée et analysée avec des détails encore jamais atteints à une telle distance.

Pour analyser tranquillement la structure d'une galaxie, il faut d'une part qu'elle nous envoie suffisamment de lumière, et d'autre part qu'elle ne soit pas trop loin ou bien que nos télescopes soient suffisamment grands et efficaces pour obtenir une bonne résolution de l'image. Or, avec des galaxies à plus de 5 ou 10 milliards d'années-lumière, c'est quasi impossible de réunir ces deux paramètres. Mais c'est sans compter sur les subtilités de l'espace-temps. Comme on le sait, l'espace-temps est un tissu courbé par les masses qui s'y trouvent et s'y meuvent. Le trajet de la lumière est ainsi modifié par la présence de très grandes masses. Et la relativité générale prédit ainsi l'existence de ce qu'on appelle des lentilles gravitationnelles : la lumière  d'une galaxie très lointaine peut être déviée par une grosse concentration de masse située entre elle et nous. Cette forte concentration de masse peut être un amas de galaxies ou une grosse galaxie par exemple. 

La galaxie massive source de lentille gravitationnelle imagée par Hubble (à gauche), SDP .81 formant un anneau d'Einstein, imagée en infra-rouge par ALMA (au centre) et image reconstruite de la galaxie (à droite).
(ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo)/Mark Swinbank (Durham University)

Mais les lentilles gravitationnelles ne font pas que dévier la lumière lointaine, elles produisent également un véritable effet de lentille, en focalisant la lumière, l'image déformée de la galaxie lointaine est également amplifiée.

Cette galaxie est nommée HATLAS J090311.6+003906, mais aussi plus simplement SDP.81. Elle se trouve donc à la distance phénoménale de 11,5 milliards d'années-lumière et nous apparaît extrêmement déformée, si déformée qu'elle forme presque un anneau entier entourant la galaxie-lentille située entre elle et nous... Et sa lumière est amplifiée par un facteur d'environ 10...

C'est avec le réseau interférométrique ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) situé au Chili, que cette observation exceptionnelle a été effectuée fin 2014. Ce n'est pas un hasard, car ALMA, grâce à ses antennes mobiles, permet d'adapter la résolution qu'il permet d'atteindre, et a justement été déployé à ce moment là dans sa configuration la plus étendue depuis sa mise en service (les deux antennes les plus éloignées étaient séparées de  15 km).

A partir de cette galaxie vue en forme d'anneau, les astrophysiciens parviennent à en faire la déconvolution en faisant des hypothèses sur la masse de la galaxie-lentille, et reconstruisent alors la forme exacte de la galaxie SDP .81. La résolution spatiale obtenue par ALMA est sans commune mesure avec ce que peut encore faire le télescope spatial Hubble, meilleure d'un facteur 6! Les astrophysiciens y ont découvert par exemple des régions de formation d'étoiles très petites et très denses, avec des détails atteignant 100 années-lumière seulement... 100 années-lumière à 11,5 milliards d'années-lumière de distance... Ça laisse rêveur, non ?

le réseau ALMA (ESO)

Dès que ALMA a enregistré ces données précieuses provenant de SDP .81, plusieurs équipes internationales se sont ruées pour les étudier. Aujourd'hui, huit articles sortent, consacrés chacun à un aspect particulier soit de la galaxie SDP .81, soit de celle qui a servi de lentille. 4 articles ont déjà été acceptés pour publication et 4 autres sont en attente. 

Une équipe japonaise [1] s'est intéressée au profil de masse de la galaxie elliptique massive qui a fait lentille et démontre la présence d'un trou noir supermassif d'au moins 300 millions de masses solaires, dont la présence est rendue indispensable pour expliquer la forme si particulière de cet anneau d'Einstein.

L'équipe internationale menée par le britannique Mark Swinbank [2], quant à elle, s'est penché sur SDP.81 et montre quelle est la cinématique de cette galaxie ultra-lointaine, avec un disque en rotation à la vitesse de 320 km/s et ils en déduisent la masse dynamique de la galaxie : 35 milliards de masses solaires. Les chercheurs trouvent un disque instable et riche en gaz. Mais les données très résolues de ALMA leur permettent aussi d'identifier pas moins de 5 régions distinctes de formation d'étoiles, qui semblent affectées par la forte pression hydrostatique externe du milieu interstellaire les entourant (10000 fois plus forte que celle existant dans notre galaxie).

Le troisième article accepté pour publication par l'Astrophysical Journal Letters revient au consortium exploitant le réseau de télescopes ALMA et sa soixantaine de chercheurs [3]. Les observations y sont détaillées, notamment celles effectuées lors de la campagne de 'Long Baseline' de fin 2014 qui a permis cette prouesse d'atteindre une résolution spatiale de 23 milliarcsecondes. Et ALMA permet aussi de détecter l'émission infra-rouge de molécules particulières, par exemple le monoxyde de carbone (CO) ou l'eau. Au sujet de l'eau, ALMA a permis à cette occasion d'observer pour la première fois avec une image aussi résolue la raie d'émission de l'eau dans une source extragalactique.

Une quatrième équipe, germano-néerlandaise celle-ci [4], est parvenue à déduire des données de cette superbe lentille non seulement le taux de formation d'étoiles dans SDP .81 (315 masses solaires par an), mais aussi la masse de poussière présente dans cette galaxie (640 millions de masses solaires), et que le disque contient 3 régions denses où la poussière subirait des variations de température...

Ces zones compactes de nuages poussiéreux sont des réservoirs de gaz moléculaire froid, là où naissent les étoiles et leurs planètes. 

Les articles qui sont en attente de publication dans des revues à comité de lecture concernent notamment la structure de SDP .81 [5], où l'on découvre que le taux de formation d'étoiles y est 65 fois plus intense que ce qui est observé dans notre galaxie et qu'il serait dû à une fusion de galaxies entre elles, ou encore la galaxie d'avant-plan responsable de la lentille gravitationnelle [6] et son trou noir supermassif où les auteurs trouvent une masse qui doit être supérieure à 250 millions de masses solaires, en accord avec les résultats de l'équipe japonaise précédemment citée. 

Et une autre équipe de chercheurs japonais [7] a étudié les propriétés du gaz moléculaire et de la poussière de SDP.81 à l'aide de leur propre modèle de lentille et concluent également à une origine de fusion de galaxies pour expliquer les intenses formations d'étoiles poussiéreuses observées, qui prendraient place là où les deux galaxies ont commencé à fusionner et où ils détectent des signes de phénomènes de marées typiques de ce genre d'événement.

Pour finir, l'équipe menée par Matus Ribak a produit un second article consacré à l'étude de l'émission du monoxyde de carbone en provenance de SDP.81 [8], où ils mettent en évidence, rappelons-le, toujours à 11,5 milliards d'années-lumière de distance, que le disque de la galaxie est perturbé, montrant des composantes de vitesse multiples. Ils ont ajouté aux données de ALMA des données provenant du télescope Hubble ainsi que d'un radiotélescope  (le Karl Jansky Very Large Array) pour investiguer la structure morphologique des différentes composantes, et montrent la présence évidente d'une région de formation d'étoiles de 6500 années-lumière enfouie dans une plus grande structure de 50000 années-lumière de large.

Le nombre d'article dédiés à cette observation  de SDP .81 par ALMA est à la hauteur de cette découverte : exceptionnelle. C'est la première fois dans l'histoire de l'humanité que l'on parvient à caractériser aussi finement avec autant de détails un objet astrophysique dont les photons ont voyagé durant plus de 11 milliards d'années, qui se sont presque perdus en route autour d'un trou noir supermassif, et qui nous sont finalement arrivés portant avec eux leurs précieuses informations.

Et cette bonne nouvelle en cache une autre, qui est que... ce n'est qu'un début...

[1] High-resolution ALMA observations of SDP.81. I. The innermost mass profile of the lensing elliptical galaxy probed by 30 milli-arcsecond images

Yoichi Tamura et al.

accepté dans Publications of the Astronomical Society of Japan; http://arxiv.org/abs/1503.07605, 

[2] ALMA maps the Star-Forming Regions in a Dense Gas Disk at z~3

Mark Swinbank et al.,

sous presse Astrophysical Journal Letters; http://arxiv.org/abs/1505.05148 

[3] ALMA Long Baseline Observations of the Strongly Lensed Submillimeter Galaxy HATLAS J090311.6+003906 at z=3.042

ALMA Partnership,

sous presse Astrophysical Journal Letters; http://arxiv.org/abs/1503.02652

[4] ALMA imaging of SDP.81 - I. A pixelated reconstruction of the far-infrared continuum emission

M. Rybak et al

Accepté pour publication dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

[5] Revealing the complex nature of the strong gravitationally lensed system H-ATLAS J090311.6+003906 using ALMA

S. Dye et al.

soumis à Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; http://arxiv.org/abs/1503.08720;

[6] The Inner Mass Distribution of the Gravitational Lens SDP.81 from ALMA Observations

Kenneth C. Wong et al.

soumis à Astrophysical Jounal Letters; http://arxiv.org/abs/1503.05558

[7] High-resolution ALMA Observations of SDP.81. II. Molecular Clump Properties of a Lensed Submillimeter Galaxy at z=3.042

Bunyo Hatsukade et al.

soumis à Publications of the Astronomical Society of Japan; http://arxiv.org/abs/1503.07997

[8] ALMA imaging of SDP.81 - II. A pixelated reconstruction of the CO emission lines

M. Rybak et al.,

Soumis aux Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Communiqué du National Radio Astronomy Observatory

Surprise dans le Centre Galactique

Il se passe toujours des choses au centre de notre galaxie. Des astronomes allemands aidés de collègues américains, ont fait une découverte surprenante : ils ont trouvé environ 20 disques de poussière et de gaz en rotation autour d’étoiles très grosses et chaudes, au sein d’amas d’étoiles, alors que de tels disques ne devraient pas survivre dans un tel milieu.

C’est l’intense rayonnement ultra-violet des étoiles qui aurait dû détruire ces disques de poussière gazeux. Les deux amas d’étoiles en question sont appelés l’amas du Quintuplet et l’amas des Arches. Ils sont vieux d’à peine quelques millions d’années et contiennent donc des étoiles très jeunes, et très massives (jusqu’à des masses de 100 fois celle du Soleil), et très chaudes (10 fois plus chaudes que le Soleil).  Ce à quoi s’attendent généralement les astronomes face à ce type d’étoiles monstres, c’est qu’elles dispersent toute la matière résiduelle autour d’elle par leur rayonnement en moins d’un million d’année. Clairement, la découverte publiée dans la revue Astronomy and Astrophysics par Andrea Stolte de l’université de Bonn, et ses collaborateurs, contredit la théorie de la survie de disques de poussières et de gaz dans les nurseries stellaires, et elle indique qu’il doit probablement exister des processus encore incompris dans ces riches amas d’étoiles du centre galactique.

Les observations ont été effectuées grâce au Very Large Telescope de l’ESO au Chili d’une part et au télescope spatial Hubble d’autre part, qui ont tous les deux permis de produire des images en proche infra-rouge, les seules longueurs d’ondes transperçant les épais nuages de poussières obscurcissant le cœur de la galaxie dans le visible.

Les amas d'étoiles du Quintet et des Arches dans la zone du centre galactique. HST/Spitzer composite: NASA, ESA, D.Q.Wang (UMass), JPL, S. Stolovy (Spitzer Science Center)

Les astronomes sont certes perplexes face au constat de la survie de ces disques circumstellaires, mais ils tentent maintenant d’en trouver une explication. Ils évoquent ainsi deux possibilités : soit ces disques de poussière et de gaz ont une exceptionnelle résistance face au rayonnement UV agressif des étoiles massives, soit il existe un mécanisme inconnu qui les recharge en permanence par une matière fraiche. Quand des étoiles vivent en couple comme c’est très souvent le cas, la plus grosse peut fournir de la matière à sa compagne plus petite par des effets gravitationnels. Par ce biais, il est possible qu’une partie du gaz soit transférée également au disque circumstellaire qui entoure le couple, avec un taux qui compenserait la perte par destruction radiative. C’est vers cette seconde hypothèse que penchent les auteurs de la découverte.  En effet de nombreux phénomènes de transfert de matière ont déjà été observés au sein de couples serrés dans des environnements  de formation intense d’étoiles.

Et il existe également une conséquence intéressante de la survie de ces disques de matière, qui n’avait encore jamais été imaginée possible dans un environnement comme celui du centre galactique : la formation de planètes. Si cette matière est en quantité suffisante durant une durée suffisamment importante, rien n’exclut la production de petits corps solides autour de ces très jeunes étoiles massives… En extrapolant, cette hypothèse ouvre la perspective de l’existence de planètes très tôt dans l’histoire de l’Univers, dès l’apparition des premières étoiles.

Source : 

Circumstellar discs in Galactic centre clusters: Disc-bearing B-type stars in the Quintuplet and Arches clusters

Stolte et al.,

Astronomy & Astrophysics 578, A4 (2015)

Autour du Grand Triangle d'Eté

L'été est propice à flaner la nuit le nez en l'air. Ces nuits étouffantes, où seule une virée nocturne permet de se rafraîchir quelque peu, peuvent également être les témoins d'un spectacle ébouriffant. Vous connaissez sans doute le fameux Grand Triangle d'été, formé par trois étoiles très brillantes; je vous propose de plonger plus profondément dans le monde qui entoure ces trois belles de l'été.

Le Grand Triangle d'été est visible dès le début de nuit au dessus de l'horizon Est. Il est formé par Véga (la plus brillante des trois), Deneb, etAltaïr.

Véga, Deneb et Altaïr font partie de trois constellations différentes : respectivement la Lyre, le Cygne, et l'Aigle. Alors qu'il faut un peu d'imagination pour voir pourquoi les anciens ont nommé la Lyre ainsi, on peut très facilement voir les deux oiseaux en plein vol que sont le Cygne et l'Aigle.

Voyons maintenant le nom de ces constellations et des plus petites qui se situent à l'intérieur même du Triangle ou juste à proximité : nous avons ici un Petit Renard (Vulpecula), une Flèche (Sagitta) et un Dauphin (Delphinus). 

 

 Approchons maintenant d'un peu plus près de ce Triangle presque isocèle.

Commençons tout d'abord notre exploration en levant la tête le plus haut, vers cette étoile extrêmement brillante qu'est Véga. Nous sommes dans la Lyre.

L'objet phare de la Lyre est sans conteste la nébuleuse qui en porte le nom, la fameuse nébuleuse de l'anneau, ou nébuleuse de la Lyre. Celle qui porte le numéro 57 dans le catalogue de Messier est un résidu d'explosion d'étoile, une nébuleuse dite planétaire de par sa forme ronde en forme d'anneau. On la trouve très facilement car elle se situe pratiquement au milieu des deux étoiles qui forment le bas du losange suspendu à Véga.

Juste en dessous du losange de la Lyre se trouve un autre objet de Messier, à savoir M56. C'est un amas globulaire  situé à près de 33000 années-lumière et dont le diamètre est de l'ordre de 60 années-lumière. On peut parvenir à en résoudre quelques dizaines d'étoiles avec un télescope de plus de 250 mm.

Remontons maintenant vers Véga en contournant le losange par la gauche, nous rencontrons une étoile bien brillante, Théta Lyr. Il s'agit en fait d'une étoile double bien séparée, qui à la particularité d'être fort jolie à regarder : les deux compagnes sont de couleurs très différentes ; une jaune et l'autre bleue, un peu à la manière d'Albireo dont parlerons dans quelques lignes...

M57, par Hubble (NASA/HST)

Mais n'anticipons pas trop, restons dans la Lyre et remontons encore vers Véga. Légèrement à sa gauche, au dessus du losange, se trouve un objet assez exceptionnel. Il s'agit d'une étoile quadruple ! On l'appelle aussi la double-double. Epsilon Lyr est en fait composée de deux groupes d'étoiles doubles. Leur vision est impressionnante, surtout lorsque l'on songe que ce beau monde d'une belle couleur jaune se tourne autour... 

Il est déjà temps de quitter la Lyre pour rendre visite à nos oiseaux préférés, en commençant par le Cygne. Bien évidemment, nous allons voir tout de suite celle qui est devenue l'archétype du contraste de couleurs : Albireo la magnifique, qui fait office de tête du Cygne. Albireo est l'une des plus belles étoiles doubles du ciel boréal, si ce n'est la plus belle. Elle montre deux compagnes d'un bleu profond et d'un jaune orangé, dont la proximité les rend inoubliables.

Nous quittons Albireo pour nous diriger vers l'aile gauche du Cygne, en remontant vers le milieu du segment Deneb-Véga. Nous nous arrêtons juste avant de croiser ce segment imaginaire. Nous y sommes, c'est ici que l'on trouve NGC 6819. C'est un très joli amas ouvert, qui regroupe des dizaines d'étoiles dans une formation très resserrée.

Poursuivons la droite reliant Albireo et NGC 6819 jusqu'à traverser l'aile du Cygne, et nous nous arrêtons juste après. Ici se trouve une nébuleuse planétaire, petite mais très amusante. On l'appelle la planétaire clignotante. NGC 6826 est clignotante lorsqu'on la regarde en face et en vision décalée, en alternant. L'acuité visuelle nocturne étant bien meilleure dans les zones périphériques de la rétine, l'effet sur des objets faibles et peu étendus est immédiatement perceptible et on peut jouer un moment avec ses yeux et cette sympathique nébuleuse planétaire

Assez joué, nous redescendons maintenant vers Deneb. Une fois sur Deneb, il faut poursuivre un peu la descente presque parallèlement à l'aile, nous tombons nez à nez avec une nébuleuse très étendue, mais qui nécessite l'utilisation d'un filtre UHC pour être facilement repérable tout de même.NGC 7000 est également surnommée la Nébuleuse North America.

 

Notre tour du Cygne n'est pas terminé, car on garde le meilleur pou la fin, mais avant d'y parvenir, nous devons aller voir  une autre nébuleuse planétaire, NGC 7027, qui elle, ne nous permet pas de la voir clignoter comme sa consoeur. Ça ne fait rien, elle est jolie quand-même et peut-être même pas très ronde...

L'étape suivante est une étoile double, ça faisait longtemps, tiens... celle-ci se dénomme 61 Cyg. Cette étoile double aux belles teintes jaunes profond s'est rendue célèbre pour avoir été la première étoile dont on a pu mesurer la distance par la méthode des parallaxes, grâce à Friedrich Bessel en 1838 (10,5 années-lumières). Comme promis, nous terminons le tour du Cygne par de pures beautés. Ces somptueux objets du ciel estival sont nommées les Dentelles du Cygne, les petites dentelles et les grandes dentelles sont de vastes étendues nébuleuses, des nuages de gaz qui flottent comme à la surface de la Voie Lactée par ailleurs bien visible en arrière plan dans cette région très riche. Pour bien apprécier ces nébuleuses, il faudra tout de même équiper son oculaire (de grande focale de préférence, vue l'étendue du spectacle) avec un filtre OIII qui mettra en valeur ces volutes filamenteuses dont le Cygne se pare chaque été...

Juste à côté de l'imposante constellation du Cygne se trouve une toute petite constellation appelée le Petit Renard, qui semble n'être constituée que de deux étoiles. Bien que peu étendue, le petit Renard (Vulpecula) recèle pourtant des trésors.

Non loin de la Petite Dentelle, en se déplaçant en direction de la constellation de la Flèche, nous entrons sur le territoire du Petit Renard, et nous allons trouver un objet d'une beauté renversante. NGC 6834 est un amas ouvert, riche de plusieurs dizaines d'étoiles voire plus, et très étendu, il faut préférer là encore un oculaire de grande focale permettant un faible grossissement. Ses étoiles certes point très brillantes montrent essentiellement la beauté de la gravitation à l'oeuvre...

Revenons un bref instant dans le Cygne, qui nous manque peut-être déjà, en remontant en direction de la sublime Albireo mais en s'arrêtant aux trois quarts du chemin. Nous arrivons sur un objet nommé NGC 6834, qui est un autre amas ouvert, lui aussi digne d'intérêt. On y voit une bonne trentaine d'étoiles serrées les unes contre les autres. On pourrait même distinguer en son centre une mystérieuse structure rectiligne...

Cette fois-ci, nous laisson s'envoler le Cygne et revenons vers notre Petit Renard en traversant le segment principal de la constellation pour se diriger vers la Flèche que nous verrons par la suite. Environ au niveau des Dentelles et de NGC6930, nous pouvons admirer un objet du catalogue de Messier, M27. Il s'agit d'une nébuleuse planétaire comme on les aime, et sans doute l'une des plus connues. En tout cas mieux connue sous le nom de nébuleuse de l'Haltère, pour des raisons évidentes de forme.

M27

Avant de visiter l'autre oiseau du grand Triangle, arrêtons-nous maintenant sur ces autres petites constellations pleines de petits trésors à observer. Tout d'abord la Flèche, sur laquelle nous étions presque atterris. Presque exactement au milieu des deux étoiles principales de cette flèche que nous imaginons très aisément, nous pouvons observer M71, qui est un amas globulaire pas très dense, un peu perdu dans une foultitude d'étoiles du bras galactique en arrière plan. Cela ne l'empêche pas de nous montrer quelques dizaines d'étoiles résolues, avec un bon diamètre de télescope tout de même...

Les étoiles de la flèche nous indiquent une direction, que nous suivons donc. Après avoir parcourus environ l'équivalent de la longueur de la flèche (c'est simple l'astronomie, non ?), nous trouvons NGC6905, en même temps que nous changeons de territoire, car nous sommes ici chez le Dauphin. NGC 6905 est une nouvelle nébuleuse planétaire, assez facile à localiser grâce à une étoile assez brillante toute proche. Cette nébuleuse planétaire ne montre pas d'anneau mais plutôt une petite boule de gaz très douce, perdue là au milieu de nulle part (ou presque).

Le Dauphin n'a pas fini de nous montrer ses secrets, nous descendons donc vers le losange si caractéristique de la tête du cétacé. Nous nous penchons sur le cas de l'étoile située le plus à gauche du losange. Il s'agit de gamma Del, qui est une étoile double jaune-jaune prisée des amateurs que vous êtes devenus. Le Dauphin montre une sorte de queue dans le prolongement du losange, nous suivons cette ligne imaginaire en parcourant deux fois la distance depuis le losange, vous avez en face des yeux NGC6934. C'est un amas globulaire dont les étoiles sont si serrées et si faibles qu'elles ne sont pas résolues, on ne voit qu'une grosse boule diffuse et on imagine toutes ces étoiles en interaction gravitationnelle, peut-être accompagnées de quelques trous noirs ?...

Le temps semble venu pour aller voir Altaïr. La tête de l'Aigle. Nous y allons vite sans besoin de repères particuliers. De là, nous nous deplaçons légèrement vers l'aile droite du rapace, en plein dans une zone très dense de la Voie Lactée, les étoiles foisonnent par ici... Et c'est encore vers une nébuleuse planétaire de type annulaire que je vous conduit : NGC 6804. Voir l'anneau n'est permis qu'aux heureux possesseurs de télescopes de diamètre supérieur à 250 mm. Mais on peut aussi se contenter d'admirer cette forme toute ronde avec un diamètre inférieur...

Nous contournons maintenant complètement l'aile droite de l'Aigle pour trouver juste à droite du bout de l'aile : NGC 6709, qui se trouve être un amas d'étoiles ouvert possédant quelques beaux spécimens et en belle quantité, en plus. On aime ces étoiles rapprochées assez brillantes... Il est temps pour nous de clore ce périple estival avec un dernier petit objet sympathique tout plein, NGC 6755, un amas ouvert là encore, mais qui lui possède plusieurs étoiles doubles. Pour le rencontrer, il faudra vers le corps de l'oiseau exactement parallèlement à l'aile que nous avions contournée. Des étoiles doubles au sein d'un amas ouvert renforce encore d'avantage cette impression de bousculade gravitationnelle entre étoiles à laquelle on ne peut que songer à l'observation.

La nuit s'est maintenant rafraîchie, et nous avec... Il est temps d'aller vérifier si ce grand triangle est vraiment isocèle ou bien s'il s'agit d'un leurre. Vous pourriez également chercher dans quelle constellation se trouve son barycentre, avant de vous endormir au pays des oiseaux musiciens...

Bon Ciel, Bon Eté!

Cartes du ciel réalisées avec Stellarium

La NASA en route vers Europe

Les années 2020 devraient voir de nouvelles missions spatiales à destination des satellites de Jupiter les plus prometteurs pour abriter une forme de vie. Alors que les européens de l'ESA imaginent une mission polyvalente explorant Ganymède et Callisto qu'ils ont déjà baptisée JUICE (JUpiter ICy moons Explorer), prévue pour 2022, les américains, eux, n'ont pas encore trouvé de nom sexy pour leur sonde devant explorer Europe, mais ont déjà choisi leurs instruments d'observation, et ils sont au nombre de neuf.

Vue d'artiste de la future sonde explorant Europe
(NASA/JPL Caltech)

On se souvient que c'est la sonde américaine Galileo qui avait permis de découvrir la structure étonnante de Europe à la fin des années 1990, et surtout qu'il devait exister sous sa croûte de glace sale un très vaste océan liquide. L'océan de Europe, qui rappelons-le  fait à peu près la taille de la Lune, serait si imposant qu'il contiendrait deux fois plus d'eau que nous n'en avons sur la Terre...

Europe peut abriter de l'eau liquide grâce à un échauffement interne provoqué par les intenses forces de marée induites par Jupiter. Et en plus d'être chaude, cette eau est salée, et probablement riches en composés métalliques et organiques. 

C'est pour tenter d'en connaître beaucoup plus sur ce monde jovien que les scientifiques de la NASA planchent actuellement sur la définition de cette future mission spatiale qui devrait s'envoler dans le courant de la prochaine décennie. Ils ont déjà décidé que la sonde serait mise en orbite non pas autour de Europe, mais de Jupiter, afin d'économiser du carburant. Elle ferait une série de 45 survols du satellite, espacés sur environ 3 ans, à différentes altitudes avec un minimum à 25 km.

Avant de concevoir la sonde elle-même, les scientifiques se sont tout d'abord intéressés aux instruments d'observation et d'analyse que devrait emporter une telle sonde. La NASA a lancé l'année dernière un appel d'offre aux planétologues américains pour proposer des instruments. Parmi les 33 propositions qui avaient été présélectionnées, neufs instruments ont finalement été retenus et dévoilés la semaine dernière.

Ces instruments formeront le cœur de la future sonde, on y retrouve notamment des imageurs et des spectromètres comme MISE (Mapping Imaging Spectrometer for Europa), EIS (Europa Imaging System ) et UVS (Ultraviolet Spectrograph/Europa) pour produire des images à haute résolution de la surface et de l'atmosphère et déterminer leur composition, un radar pour déterminer l'épaisseur de la couche de glace et trouver d'éventuels lacs de subsurface : REASON (Radar for Europa Assessment and Sounding Ocean to Near-surface), ou encore un magnétomètre (ICEMAG, Interior Characterization of Europa using Magnetometry)  qui pourra évaluer via l'intensité du champ magnétique, la profondeur de l'océan et sa salinité.

Europe imagé par Galileo en 1998 (NASA/JPL Caltech)

Il faut se rappeler que le télescope Hubble avait détecté à l'un des pôles d'Europe ce qui ressemblait à des jets d'eau vaporisés, de façon très semblable à ce qui existe sur Encelade, le satellite de Saturne très aqueux lui aussi.

La future sonde devra donc pouvoir s'approcher au plus près de ces émanations aqueuses pour percer les mystères de l'océan sous-jacent. Elle sera ainsi munie d'analyseurs de haute performance MASPEX (MAss SPectrometer for Planetary EXploration/Europa) et SUDA (SUrface Dust Mass Analyzer) qui permettront une analyse chimique des particules éjectées depuis Europe, lors des survols en rase-motte. La sonde sera également munie d'un analyseur de plasma PIMS (Plasma Instrument for Magnetic Sounding), qui, associé à ICEMAG fournira des données précieuses sur la profondeur de l'océan, l'épaisseur de la glace et la salinité de l'eau.

Enfin, pour étudier complètement Europe, la sonde de la NASA emportera un instrument d'imagerie thermique, E-THEMIS (Europa Thermal Emission Imaging System) sorte de détecteur de chaleur, qui produira des cartes des points chauds du satellite.

On peut il est vrai déplorer qu'américains et européens n'aient pas réussi à s'entendre pour faire une seule mission commune à destination des satellites glacés de Jupiter. Cependant, la redondance est peut-être une assurance de réussite dans un domaine où la moindre petite défaillance peut tout gâcher. Il ne reste plus qu'à espérer que la technologie instrumentale européenne soit au même niveau que celle des américains.

Sources :

http://go.nasa.gov/europanews

http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4598

Découverte d'une "ceinture de Kuiper" autour d'un étoile très jeune

Ce que l'on appelle la Ceinture de Kuiper, qui doit son nom à l'astronome néerlandais du XXème siècle Gerard Kuiper qui avait cru montrer qu'une telle ceinture ne pouvait pas exister, est formée d'une myriades d'astéroïdes glacés formant un vaste anneau au delà de l'orbite de Neptune. Cet anneau d'astéroïdes est un vestige des premiers moments du système solaire il y a plus de 4,5 milliards d'années.

Des astronomes viennent de découvrir autour d'une toute jeune étoile à peine âgée de 15 millions d'années, ce qui ressemble trait pour trait à notre ceinture de Kuiper. Dans l'article que Tayne Currie et son équipe publient dans the Astrophysical Journal Letters, les auteurs montrent qu'un anneau de débris entoure l'étoile HD 115600, qui nous sépare seulement de 360 années-lumière. HD 115600 fait partie d'un groupe d'étoiles jeunes qui est appelé l'Association OB du Scorpion-Centaure et a une masse de 1,5 masse solaire environ. L'anneau de débris découvert se trouve à une distance de l'étoile très similaire à la distance de la ceinture de Kuiper du soleil (entre 30 et 50 unités astronomiques).

La ceinture de débris entourant HD 115600 (Nature/T. Currie)

La couleur qui se dégage de cet anneau, cette "exo-ceinture", est interprétée par les astronomes comme le signe d'une composition de glace d'eau et de roches, tout comme ce que l'on trouve dans la ceinture de Kuiper.

Des disques de débris autour d'étoiles avaient déjà été observés dans le passé, mais jamais à une distance si proche et autour d'une étoile si jeune. Par ailleurs, les chercheurs ont pu observer une petite étrangeté : le centre de l'anneau ne correspond pas parfaitement avec le centre de l'étoile. Il se pourrait ainsi qu'une grosse planète soit en orbite autour de HD 115600 avec une orbite allongée, et qui aurait pu produire par sa gravitation le décalage observé dans l'anneau d'astéroïdes.

Pour faire ces belles trouvailles, l'équipe de Currie a exploité un instrument spécial qu'on appelle un coronographe, monté sur le télescope Gemini South au Chili. Ce coronographe, le Gemini Planet Imager (GPI) permet de masquer la lumière qui arrive au centre de l'optique pour ne regarder que ce qui se passe juste autour. Un tel système permet non seulement d'imager des planètes ou des disques de matière en orbite autour d'étoiles brillantes, mais aussi d'enregistrer le spectre de la lumière qui en est émise, lumière de l'étoile réfléchie.

Le GPI venait à peine d'être installé au foyer du télescope depuis quelques mois quand Thayne Currie est ses collaborateurs ont commencé à voir cet anneau d'astéroïdes.

Le Very Large Telescope de l'ESO a lui aussi été muni d'un imageur coronographe (nommé SPHERE) et va permettre de faire de nouvelles découvertes de ce type avec plus de sensibilité, et dans très peu de temps. Les deux instruments pourront par exemple partir ensemble à la traque de la planète invisible orbitant HD 115600.

Une chose est sûre, vu son très jeune âge, HD 115600 est d'ores et déjà devenue un très intéressant laboratoire de ce qu'était notre système solaire dans sa petite enfance.

Sources :

Direct Imaging and Spectroscopy of a Young Extrasolar Kuiper Belt in the Nearest OB Association
Thayne Currie et al.
à paraître dans the Astrophysical Journal Letters

Nearby star hosts Kuiper belt twin
R. Cowen
Nature News (28 may 2015)