Note d'information de l'ESA
Nº 14-96 - Paris, le 12 juin 1996   [ English Version | Deutsche Version ]

ISO, le télescope spatial européen, traque l'eau de l'Univers

L'eau que nous buvons et qui remplit les océans tire son origine des étoiles. Les astronomes sont captivés par les résultats obtenus avec ISO, l'observatoire spatial dans l'infrarouge de l'Agence spatiale européenne, qui ont mis en évidence la chimie de notre galaxie avec des détails sans précédent. Elément particulièrement frappant, on observe, à proximité des étoiles en fin de vie, de la vapeur d'eau résultant de la combinaison d'hydrogène primordial et des atomes d'oxygène que viennent de produire les étoiles elles-mêmes. L'eau réapparaît ensuite au cours de la formation d'étoiles et de planètes nouvelles à partir du milieu interstellaire. Ceci s'est produit à l'origine du système solaire et a notamment fourni l'eau qui représente plus de la moitié du poids d'un corps humain.

En retraçant cette histoire, ISO observe également de l'eau sous forme de glace dans des régions plus froides à proximité des étoiles ainsi que dans la poussière qui environne les étoiles jeunes et qui pourrait être à l'origine des planètes. Les comètes constituent une étape intermédiaire dans la naissance des planètes et contiennent beaucoup de vapeur d'eau. Selon l'une des hypothèses, la Terre nouvellement formée a reçu une partie de son eau directement de comètes qui l'ont frappée.

La vapeur d'eau de l'atmosphère terrestre a jusqu'ici empêché les télescopes de détecter de la vapeur d'eau parmi les étoiles, sauf dans des cas très particuliers. ISO, sur orbite dans l'espace, franchit la barrière de l'atmosphère. Les excellents instruments à son bord enregistrent les signatures caractéristiques dans l'infrarouge de la vapeur d'eau, de l'eau en glace et de bien d'autres matériaux.

Lorsqu'ISO étudie des objets choisis, il détecte des émissions ou des absorptions de rayons infrarouges à des longueurs d'ondes particulières, ce que l'on appelle des "raies" du spectre, et qui révèlent la présence d'atomes, de molécules et de corps solides identifiables. Le spectromètre à longueurs d'ondes courtes et celui à longueurs d'ondes longues permettent des diagnostics chimiques détaillés, tandis que le photomètre ISOPHOT et la caméra ISOCAM possèdent également un important pouvoir spectroscopique.

Les exemples de détection d'eau ont été au nombre des questions examinées lors du premier atelier scientifique d'ISO qui s'est tenu à l'ESTEC, Noordwijk (Pays-Bas) du 29 au 31 mai et pendant lequel 300 astronomes venus d'Europe, des Etats-Unis et du Japon ont évalué les résultats obtenus avec ISO depuis son lancement, le 17 novembre 1995. Le spectromètre à longueurs d'ondes longues a procédé à de remarquables observations de raies de la vapeur d'eau à proximité d'étoiles en agonie et dans des régions où des étoiles se forment. Le spectromètre à longueurs d'ondes courtes en a fait autant, mais a également détecté de l'eau en glace. Quant au photomètre ISOPHOT, il a observé de la glace dans un grand nombre d'objets.

En dehors de la fascination qu'exerce sur eux l'histoire naturelle de l'eau dans le cosmos, les astronomes ont bien d'autres raisons de se féliciter au plan technique des observations d'ISO. Ils peuvent utiliser les observations détaillées d'un spectre pour en déduire l'abondance d'eau et sa conditions physique. Dans le cas de l'étoile nouvelle GL 2591 par exemple, l'eau gelée s'est vaporisée à la chaleur de l'étoile et a atteint une température de l'ordre de 30°C. La quantité de vapeur d'eau, d'environ 10 parties par million de parties d'hydrogène, est très élevée selon les normes du cosmos.

"Cette abondance remarquable nous informe que l'eau joue un rôle important dans la naissance des étoiles" a déclaré Ewine Van Dishoeck de l'observatoire de Leyde dont l'équipe d'astronomes néerlandais et suédois a utilisé le spectromètre à longueurs d'ondes courtes d'ISO pour ce travail. "La formation des étoiles résulte de la condensation d'un nuage de gaz et de poussières, mais la production de chaleur à l'intérieur du nuage rend plus difficile le travail de la pesanteur dans son effet de compression du nuage. En rayonnant fortement dans l'infrarouge, l'eau permet aux nuages d'éliminer très efficacement la chaleur. Cette fonction de refroidissement propre à l'eau facilite la formation d'étoiles. ISO nous donne ainsi une nouvelle clef de l'astrophysique."



Un inventaire de la glace interstellaire


Les zones de l'espace entre les étoiles sont très froides si bien que les vapeurs, et notamment la vapeur d'eau, se condensent et gèlent à la surface des grains présents, un peu comme le givre se forme en hiver. Ils constituent une partie de la poussière interstellaire qui obscurcit le ciel visible et qu'ISO analyse de façon approfondie pour la première fois. Le spectromètre à longueurs d'ondes courtes a observé de l'eau en glace dans de nombreuses régions, par exemple à proximité de NGC 7538, nuage entourant une étoile en formation. Avant ISO, les télescopes au sol avaient observé du monoxyde de carbone et du méthanol (alcool méthylique) gelés dans l'espace interstellaire, ainsi que de la glace d'eau. ISO observe toutes ces formes de glace de façon beaucoup plus précise. Il a également vu de la glace carbonique et de la glace de méthane qui ne peuvent être détectées du sol. Des astronomes français ont même isolé dans les données d'ISO de la glace contenant du carbone 13 lourd.

Les quantités de gaz carbonique et de méthane détectées par ISO sont surprenantes, et les glaces représentent désormais une proportion plus importante des composés carbonés qui sillonnent l'espace. La glace carbonique vient en second derrière la glace d'eau dans les parages de NGC 7538. Les astronomes peuvent commencer à faire un inventaire complet des matériaux volatiles gelés dans l'espace interstellaire et les comparer avec ceux que l'on trouve dans le système solaire.

"ISO nous fournit les spectres des types de poussières dont bien des gens ont rêvé" a déclaré Doug Whittet de l'Institut polytechnique Rensselaer à Troy (New-York) qui est à la tête d'une équipe américano-hollandaise utilisant le spectromètre à longueurs d'ondes courtes dans cette étude. "Le gaz carbonique et le méthane que nous avons détectés dans les glaces interstellaires permettent de comprendre le comportement des comètes ainsi que l'origine et l'évolution de la vie sur Terre".



Du sable et de la suie parmi les étoiles


Les autres composants de la poussière identifiés au moyen d'ISO sont des grains et de grosses molécules minérales constitués principalement de carbone et d'hydrogène, souvent appelés "hydrocarbures" par souci de simplicité. Ici aussi il existe un rapport direct avec l'histoire du système solaire et de la Terre car des minéraux et des hydrocarbures similaires apparaissent dans les météorites et l'environnement des comètes, cas analysé par exemple lors de la mission Giotto de l'ESA vers la comète de Halley en 1986.

Les minéraux siliceux, communs comme le sable de nos plages, sont les principaux constituants du globe terrestre. Les télescopes travaillant au sol dans l'infrarouge avaient entr'aperçu les signatures caractéristiques de grains de silicate dans différents emplacements interstellaires, mais ici encore ISO fait des observations plus fines. Il a pu détecter des silicates et d'autres minéraux tant à proximité d'étoiles mortes comme la nébuleuse planétaire NGC 6302 que dans les disques de poussières environnant les étoiles jeunes, où de nouvelles planètes pourraient être en formation.

Dans ce type de disques protoplanétaires, les astronomes ont confirmé au moyen du spectromètre à longueurs d'ondes courtes d'ISO l'existence d'une forme particulière d'oxyde de silicium. On en avait précédemment observé dans des comètes ainsi que dans l'espace interstellaire, mais avec bien des difficultés et des incertitudes, au moyen de télescopes au sol. D'autres oxydes de silicium sont répandus dans la galaxie sous une forme non cristalline (amorphe). L'oxyde de silicium particulier, celui qui peut être cristallisé, est sans doute un symptôme d'un processus de création de planètes.

C'est en particulier grâce aux composés carbonés que l'Univers est capable d'entretenir la vie. Une émission dans l'infrarouge aux environs de 12 microns, observée pour la première fois en 1983 par le satellite IRAS dans la voie lactée et dans d'autres galaxies, serait apparemment due à des hydrocarbures concentrés dans des nuages filamenteux. Dans l'espace interstellaire, les hydrocarbures complexes produisent des grains goudronneux, similaires à la suie produite par un feu de charbon ou l'échappement de voitures. Les instruments d'ISO, qui permettent d'identifier ces hydrocarbures par leur longueur d'ondes caractéristique dans l'infrarouge, en ont trouvé pratiquement partout où ils travaillent, sauf à proximité des étoiles qui tendent à décomposer les hydrocarbures. Des équipes se servent des instruments ISOPHOT et ISOCAM pour rechercher où se trouvent les hydrocarbures dans des douzaines de sites de la galaxie. Les hydrocarbures apparaissent de façon plus frappante à la surface extérieure des nuages denses de gaz et de poussières et pourraient donner des indications sur les conditions physiques qui y règnent.

Peu avant le lancement d'ISO, des astronomes amateurs ont signalé que l'étoile appelée R Coronae Borealis devenait de moins en moins visible. Cette étoile assez âgée est normalement très facile à voir avec de simples jumelles, mais elle éjecte par intermittence des nuages de poussières qui la cachent pratiquement à la vue. Les astronomes professionnels n'ont pas le temps de suivre les étoiles variables irrégulières et s'en remettent aux amateurs pour leur donner l'alerte en cas d'événement comme celui qui a marqué R Coronae Borealis. Quelques mois plus tard, à un moment où l'étoile ne pouvait plus être observée qu'au moyen de télescopes puissants, ISO a obtenu en une minute un spectre infrarouge de l'étoile grâce à la capacité spectroscopique à haute vitesse du photomètre ISOPHOT.

"Nous avons surpris l'étoile en train de fumer" nous a dit Helen Walker du Rutherford Appleton Laboratory en Angleterre, chargée de cette observation. "Au mois d'octobre, les amateurs avaient vu l'étoile disparaître à leurs yeux dans la lumière visible, mais elle demeurait brillante dans l'infrarouge. Les longueurs d'ondes les plus éloquentes ont révélé la présence de composés carbonés ressemblant à de la suie, formés récemment à proximité de l'étoile. Sans ISO, nous n'aurions pu espérer analyser un phénomène aussi frappant."



Complexité et inspiration


Sur ISO, la caméra ISOCAM a obtenu des images frappantes de la poussière interstellaire dans de nombreuses parties de la galaxie. ISOCAM utilise souvent ses capacités spectrales pour décomposer les émissions de poussières en fonction de leur longueur d'onde, et établir ainsi leur origine. L'une des régions où ISOCAM a détecté d'importantes quantités d'hydrocarbures se trouve au bord extérieur du nuage sombre Rho Ophiuchi. Eloigné de 500 années-lumière, il s'agit également de l'endroit le plus proche où des étoiles se sont formées récemment. Les spectaculaires images d'ISOCAM montrent de nombreuses étoiles jeunes, indétectables à la lumière visible, et des structures filamentaires remarquables dans leur enveloppe de poussières.

ISO fournit aux astronomes davantage de détails sur le milieu interstellaire qu'ils ne peuvent en analyser pour le moment. Non seulement des mystères chimiques demeurent dans des spectres encore à l'analyse, mais certaines des particularités de la galaxie dont ISO donne des images laissent les astronomes parfaitement perplexes. La co-existence de régions chaudes et froides donne des schémas compliqués alors que l'on n'y connaissait précédemment que des moyennes tièdes.

"L'Univers est quelque chose de particulièrement complexe" fait remarquer Martin Harwit, pionnier de l'astronomie dans l'infrarouge. "Mais avec ISO, nous sommes en train de définir son contenu d'ensemble, d'évaluer les bilans énergétiques de notre galaxie et de bien d'autres, et d'en apprendre beaucoup sur les populations d'étoiles jeunes et vieilles. Pour moi, les résultats obtenus jusqu'ici avec ISO sont une formidable source d'inspiration."




Pour plus d'informations sur ISO, contacter :

ESA Division de la Communication (Paris) :
Simon Vermeer : +33.1.53.69.7106

Responsable scientifique du Projet :
Dr Martin Kessler : + 34.1.813.1253

Principal Investigator, Caméra (ISOCAM):
Prof. Catherine Cesarsky : +33.1.6908.7515

Principal Investigator, Photomètre (ISOPHOT)
Prof. Dietrich Lemke : + 49.6221.528.259

Principal Investigator, Spectromètre à longueurs d'ondes courtes (SWS) :
Dr Thijs de Graauw : +31.50.363.4074

Principal Investigator, Spectromètre à longueurs d'ondes longues (LWS):
Prof. Peter Clegg : +44.171.975.5038