Nº 25-97 - Paris, le 14 août 1997 [ English Version | Deutsche Version ]
Les zones de l'univers les plus propices à l'apparition de ces phénomènes sont le règne du froid et de la poussière et se dérobent à notre vue, même avec le télescope spatial Hubble. Comme les rayons infrarouges traversent la poussière, ISO est capable d'observer des objets cachés, ainsi que les atomes et molécules qui interviennent dans la chimie du cosmos.
"ISO déchiffre les secrets de la nature," déclare Roger Bonnet, Directeur du
Programme scientifique de l'ESA. "Etant le seul télescope au monde capable d'observer
l'univers sur une large gamme de longueurs d'onde dans l'infrarouge, ISO joue un rôle
irremplaçable dans les découvertes astronomiques qui nous aident à comprendre nos
origines."
On trouvera ci-après la description d'un certain nombre d'étapes de nos origines
cosmiques, qu'ISO a mis en lumière en étudiant les phénomènes encore visibles
aujourd'hui qui en sont la trace.
L'évolution des galaxies
Au commencement était l'hydrogène, mélangé à de l'hélium et à d'autres éléments légers à l'état de traces. Il s'agissait d'atomes produits par le big bang, ce cataclysme qui aurait présidé à la formation de l'univers il y a plus de 10 milliards d'années. Le gaz primitif était inerte. Il n'était pas apte à donner naissance à de la poussière et encore moins à des être vivants. Mais, sous l'action de la gravitation, l'hydrogène et l'hélium se sont amalgamés pour former des étoiles, qui ont été portées à incandescence du fait des réactions nucléaires dont elles étaient le siège. Lorsque les premières étoiles ont commencé à vieillir, les réactions ont produit de nouveaux éléments chimiques, comme le carbone, l'oxygène et le silicium.
Expulsés à la périphérie des étoiles, ces éléments ont réagi entre eux, ainsi qu'avec l'hydrogène, ce qui a donné naissance à la poussière cosmique formée de glace et de particules carbonées ou pierreuses. Les énormes ensembles d'étoiles que nous appelons galaxies sont devenus des creusets où les lois de la physique et de la chimie ont donné naissance à de nouveaux matériaux et à de nouvelles étoiles. Les rayonnements émis par les galaxies les plus éloignées ont mis plusieurs milliards d'années à nous parvenir, de sorte que l'aspect sous lesquels nous les voyons aujourd'hui est celui qu'elles avaient peu après leur formation. La galaxie la plus éloignée qui ait été observée jusqu'ici par ISO est un quasar dénommé BR 1202-0225 datant d'une époque où l'univers n'avait même pas le dixième de son âge actuel. On constate déjà une forte concentration de poussière.
ISO a également observé de nombreuses galaxies dont l'âge est environ la moitié de celui de l'univers en scrutant attentivement le cosmos à travers le trou de Lackman, une trouée existant dans les nuages de poussière de la Voie Lactée. Les astronomes pensent que les galaxies les plus nettement visibles dans l'infrarouge sont le siège de phénomènes intenses de formation d'étoiles en grand nombre. Dans les galaxies les plus proches, les astronomes d'ISO interprètent les fortes émissions dans l'infrarouge comme de violentes éruptions se produisant dans les noyaux galactiques et ponctuant l'évolution des galaxies.
"La présence d'ISO dans l'espace offre des possibilités inédites d'étudier le passé des galaxies," déclare l'astronome japonais Yoshiaki Taniguchi de l'université Tohoku. "En détectant des longueurs d'onde infrarouge qui sont difficiles à observer sur Terre, ISO met très clairement en évidence les galaxies qui évoluent le plus rapidement, caractérisées par des périodes intenses de formation d'étoiles. Certaines sources d'émissions infrarouges peuvent également provenir de galaxies possédant des noyaux galactiques actifs."
La Voie lactée, qui est notre galaxie, doit son nom au disque étoilé dont nous voyons la tranche sous la forme d'un ruban de lumière. Elle a connu une vie tranquille par rapport à certaines autres galaxies, mais cette tranquillité est toute relative. Des phénomènes violents se sont traduits par la naissance et la destruction d'étoiles tout au long de sa vie, ce dont témoignent les débris disséminés tout autour de nous.
En observant la Voie lactée en coupe transversale, ISO détecte d'anciennes étoiles froides et de jeunes étoiles formées d'amas de poussière, caractérisées par de fortes émissions infrarouges. Mais les images obtenues font surtout apparaître de fins nuages de poussière répartis sur l'ensemble de la voûte céleste : il s'agit des débris éparpillés d'étoiles mortes. Çà et là, des nuages de poussière plus épais et plus lumineux témoignent de la formation de nouvelles étoiles. C'est de ce monde de poussière que sont nés le Soleil et la Terre.
Le cycle de la mort et de la naissance des étoiles
Le Soleil est une étoile d'âge moyen. Il est apparu il y a environ 4,5 milliards d'années, alors que l'univers avait à peine plus de la moitié de son âge actuel. Aujourd'hui, le Soleil est arrivé à peu près à mi-parcours de sa durée de vie prévisible. Tous les atomes qui composent le Soleil, la Terre et nos propres organismes et dont la masse est supérieure à celle de l'hydrogène et de l'hélium primitifs proviennent d'étoiles de la Voie lactée qui ont disparu avant la naissance du Soleil. Des particules de différentes origines, découvertes sur des météorites et identifiées par leur signature atomique, confirment qu'un grand nombre d'ancêtres stellaires distincts ont participé à la constitution du stock d'éléments chimiques du système solaire. Les restes de ces étoiles disparues sont trop dispersés pour pouvoir être identifiés dans la galaxie aujourd'hui. Les astronomes peuvent toutefois retrouver leurs homologues parmi les étoiles les plus récentes. ISO leur offre la possibilité exceptionnelle d'étudier les différentes étapes qui conduisant de la mort d'une étoile à la naissance d'une autre.
Une étoile qui meurt disperse à travers l'espace interstellaire des matériaux chimiquement enrichis qui, en se concentrant à nouveau, donnent naissance à de nouvelles étoiles et planètes. Les résultats extraordinaires obtenus par l'analyse de la composition chimique des gaz et des poussières évoluant au voisinage d'étoiles de formation ancienne ou nouvelle, ainsi que dans le sillage des comètes, représentent une contribution majeure d'ISO. Comme il a été dit dans de précédentes notes d'information, les éléments recensés au moyen de leur signature dans l'infrarouge comprennent du monoxyde de carbone et de l'eau sous forme de vapeur ou de glace, des composés carbonés et des minéraux, notamment de l'olivine, qui est l'un des principaux composants du manteau terrestre.
Le Soleil lui-même, lorsqu'il arrivera au terme de son existence, enflera et se refroidira avant d'expulser dans l'espace une grand part de la matière qui le compose. Ayant consommé toute son énergie, son noyau s'effondrera sur lui-même et se transformera en une naine blanche. Une étoile d'une masse comparable à celle du Soleil donne naissance, au cours de l'ultime phase de son agonie, à une nébuleuse planétaire, sphère de cendres dispersées autour du coeur incandescent de la naine blanche. ISO a observé plusieurs nébuleuses planétaires, notamment la nébuleuse Hélice, dont il a fourni récemment une image remarquablement détaillée.
Les étoiles massives se consument nettement plus rapidement que les étoiles comparables au Soleil et finissent de manière beaucoup plus spectaculaire en supernovae, ces étoiles qui explosent. Pendant quelques semaines, leur luminosité est alors un milliard de fois supérieure à celle du Soleil. Leur noyau se contracte et donne naissance à une étoile à neutrons beaucoup plus dense qu'une naine blanche, tandis que la matière constitutive des couches externes est éjectée dans l'espace. L'une des raisons pour lesquelles les supernovae jouent un rôle important dans la chimie du cosmos est qu'elles sont les seules à pouvoir produire les éléments les plus lourds, comme l'or et l'uranium.
Les vestiges de supernovae restent détectables pendant des milliers d'années après l'explosion. La dernière supernova observée dans la Voie lactée remonte à un peu plus de 300 ans et a donné naissance à la nébuleuse dénommée Cassiopée A, dont ISO a réalisé le premier examen détaillé dans le rayonnement infrarouge, impossible à déceler sur Terre. On a pu ainsi constater directement que de la poussière est formée à partir des matériaux de cette supernova.
"Les éléments récemment produits par la supernova doivent refroidir avant de pouvoir constituer un nouvel apport de poussière interstellaire," déclare Pierre-Olivier Lagage du Service d'astrophysique du CEA à Saclay, qui a dirigé cette étude sur Cassiopée A. "Avec la caméra d'ISO, nous pouvons détecter les émissions de différents éléments et l'on constate que les globules de matière chaude éjectés de l'étoile contiennent maintenant de la poussière."
Pour sa part, la nébuleuse Trifide est une zone de résurgence, où l'on assiste à la formation d'une nouvelle génération d'étoiles massives. Lorsqu'on l'observe en lumière visible, on voit de jeunes étoiles chaudes qui éclairent un grand nuage de gaz. La nébuleuse est traversée par un réseau de nuages de poussière sombres qui la divisent en plusieurs zones lumineuse, d'où son nom. Son observation par ISO dans l'infrarouge donne une image totalement différente : les nuages sombres deviennent lumineux et les régions brillantes apparaissent sombres. Comme il peut "voir" à travers la poussière, ISO révèle, à l'intérieur des nuages, l'existence de régions denses où se forment de nouvelles étoiles.
L'oeuf cosmique dont l'éclosion fera naître une étoile
Parmi les buts que se sont fixés les astronomes d'ISO figure la détection des tout premiers stades de la formation des étoiles. Les noyaux protostellaires sont des objets ovoïdes nichés au coeur d'un grand nuage de poussière. Une épaisse enveloppe de poussière froide en obscurcit l'intérieur, où les gaz se concentrent sous l'effet des forces gravitationnelles pour constituer un embryon d'étoile. Avec le temps, la poussière se disperse et l'on assiste à l'éclosion d'une étoile parfaitement visible, aboutissement du processus de formation de l'étoile. Au tout début, le nuage de poussière ne laisse passer que les ondes radio et les émissions dans l'infrarouge lointain, qui sont ainsi les seuls moyens dont nous disposons pour observer les origines proprement dites des étoiles.
Derek Ward-Thompson de l'Observatoire Royal d'Edimbourg (Grande-Bretagne), avec l'aide de ses collègues de l'Université de Cambridge et de chercheurs français, a été le premier à observer, dans les longueurs d'onde radio submillimétriques, le noyau protostellaire L1689B situé dans la constellation d'Ophiucus. Il s'agit d'un noyau protostellaire jeune, sur le point de s'effondrer pour donner naissance à une nouvelle étoile. L'équipe s'est ensuite servie d'ISO pour produire les premières images de L1689B dans l'infrarouge au moyen du photomètre ISOPHOT en travaillant en ondes infrarouges longues jusqu'à sa limite de 200 microns. L'enveloppe de poussière a une température tellement basse, d'environ - 260° C (13 K), qu'elle est indétectable, même dans les longueurs d'onde infrarouge courtes ou moyennes.
Les astronomes peuvent maintenant combiner les résultats d'ISO avec les observations faites sur le même objet et sur des objets similaires dans des longueurs d'onde submillimétriques afin d'obtenir une image détaillée des tout premiers stades de la formation d'une étoile.
Ward-Thompson déclare : "Nos collègues astronomes pensaient que nous n'avions aucune chance de détecter des noyaux protostellaires avec un instrument existant. Maintenant que nous l'avons fait à l'aide de radiotélescopes basés au sol et du satellite ISO, un nouveau chapitre s'ouvre dans l'étude de la formation des étoiles.
Nos résultats contredisent d'ores et déjà la théorie selon laquelle un noyau
protostellaire devrait être animé d'un mouvement de rotation rapide. Ce n'est pas le
cas. En outre, nos observations ont montré que la manière dont une étoile en cours
de formation s'effondre sur elle-même diffère des prévisions préalablement
établies."
A la recherche des origines des planètes
Notre ascendance cosmique directe est la nébuleuse solaire, ce nuage de gaz et de poussière qui, pense-t-on, tourbillonnait autour du Soleil à sa naissance, il y a environ 4,5 milliards d'années. Sous l'effet des forces gravitationnelles, les gaz et les poussières ont formé une sorte de disque aplati, que l'on pourrait comparer à une reproduction gigantesque des anneaux de Saturne. Des grains de poussière formés de particules pierreuses et de glace se sont agglomérés pour constituer les planètes du système solaire, dont la Terre. Les comètes sont des résidus de la formation du système solaire, dont ISO a étudié la composition chimique. En fait, le concept de formation des planètes à partir du disque de poussière de la nébuleuse solaire n'était qu'une théorie jusqu'à l'émergence de l'astronomie spatiale dans l'infrarouge.
L'un des programmes les plus lourds d'ISO a trait à l'existence de disques de particules de poussière autour des étoiles normales. Le Soleil possède encore un disque, qui apparaît sous forme de lumière zodiacale près de l'horizon après le coucher du Soleil au printemps ou avant son lever en automne. Il est impossible de détecter un phénomène similaire à proximité d'une autre étoile car la poussière est trop éparse.
Ce fut donc une grosse surprise lorsque le prédécesseur d'ISO, le satellite d'astronomie dans l'infrarouge lancé en 1983 dans le cadre d'une coopération entre les Pays-Bas, les Etats-Unis et la Grande-Bretagne, détecta des disques de poussière similaires autour de quelques étoiles proches, notamment Véga et ß Pictoris, composés de matières beaucoup plus denses que le disque de poussière du Soleil. Toutefois, ces matières sont nettement plus froides que le nuage zodiacal et, par conséquent, plus éloignées des étoiles. Dans notre système solaire, elles se trouveraient au-delà de Neptune.
Ces disques fascinent les astronomes car ils témoignent de la présence autour d'étoile de matière remontant à l'époque de leur formation, ce qui laisse à penser que nombre d'étoiles autres que le Soleil pourraient posséder un "système solaire" avec des planètes, des astéroïdes et des comètes gravitant autour d'elles. Même s'il existe d'autres méthodes pour explorer plus avant ces disques qui laissent présager la présence de systèmes planétaires, il revient à ISO de poser les prochains jalons. Il s'agira d'observer un bien plus grand nombre d'étoiles avec une sensibilité nettement accrue, d'établir la fréquence à laquelle ces disques apparaissent et d'observer pendant combien de temps ils peuvent résister aux processus naturels qui tendent à les détruire.
Les premiers résultats montrent que le satellite ISO détecte, dans certains cas, des disques de faible intensité. Dans d'autres cas, les résultats constituent des valeurs-limites quant à la présence éventuelle de poussière. Certains disques sont détectés dans des longueurs d'onde relativement élevées, ce qui indique qu'ils sont situés assez loin de leur étoile. On procède actuellement à la réduction des données d'observation de nombreuses autres étoiles. Il ressort, en première analyse, que l'existence d'un disque serait une propriété commune à un grand nombre d'étoiles, mais pas à toutes.
ISO en bref
Faisant appel à des technologies de pointe, ISO est un télescope à très basse température, capable d'observer les régions froides de l'univers. Ses instruments scientifiques spécifiques ont été mis au point par des équipes multinationales, placées sous la conduite de chercheurs français, allemands, néerlandais et britanniques. ISO a été mis en orbite le 17 novembre 1995 par un lanceur européen Ariane 44P. Les demandes d'observation adressées par les astronomes du monde entier ont toujours dépassé largement le temps d'exploitation disponible, bien que les contrôleurs d'ISO, basés dans l'établissement de l'ESA à Villafranca, assurent le suivi de 45 observations astronomiques par jour en moyenne.
Pour plus d'informations, veuillez contacter:
Simon Vermeer, Division de la Communication de l'ESA (Paris), tel:+33.1.5369.7155
Dr. Martin Kessler, Scientifique du projet ISO, tel:+34.1.813.1253
Prof Peter Clegg, Chercheur principal, spectromètre ondes longues (LWS), tel:+44.171.975.50.38
Dr. Thijs de Graauw, Chercheur principal, spectromètre ondes courtes (SWS), tel:+31.50.363.40.74
Prof. Dietrich Lemke, Chercheur principal, photomètre (ISOPHOT), tel:+49.6221.528.259
Dr. Catherine Cesarsky, Chercheur principal, caméra (ISOCAM), tel:+33.1.6908.7515
Dr. Y. Taniguchi, tel:+81.22.222.18.00
Dr. P. Olivier Lagage, tel:+33.1.69.08.70.16
Dr. D. Ward Thompson, tel:+44.131.668.81.00
Dr. H. Walker, tel:+44.1235.446.490
Dr. J. Cernicharo, tel:+34.1.590.16.11
Dr. P. Cox, tel:+33.1.69.85.86.75
Dr. M. Perault, tel:+33.1.44.32.33.52