Bonnes nouvelles des étoiles

Jean-Pierre Luminet, Élisa Brune

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2009
• Imprimer l'ISBN: 9782738122872
• ISBN de l'eBook: 9782738195166
• Sujet: Ciencias físicas
• Sujet: Astronomía y astrofísica

Parler de l'Univers, c'est parler de nous-mêmes. Savoir qui nous sommes : un composé d'atomes fabriqués dans le Big Bang et dans les étoiles. Savoir d'où nous venons : de météores qui ont emporté les molécules du vivant à travers les espaces intersidéraux. Savoir si nous sommes seuls : la chasse est désormais ouverte aux exoterres qui pourraient loger nos cousins. Savoir où nous allons : planètes, étoiles et galaxies sont-elles condamnées à l'engloutissement dans des trous noirs ? L'Univers se dilatera-t-il indéfiniment ?Jean-Pierre Luminet et Élisa Brune donnent les réponses qu'apportent les observations toujours plus précises de nos télescopes satellitaires. Dans un style flamboyant, ils nous expliquent comment nos modèles théoriques permettent de les comprendre et d'anticiper de sidérantes révolutions. Jean-Pierre Luminet est directeur de recherches au CNRS, astrophysicien à l'Observatoire de Paris. Il a publié une vingtaine d'essais, romans et recueils de poèmes, traduits en une douzaine de langues.Élisa Brune est écrivain et journaliste scientifique.

Troisième partie

Nouvelles internationales :
les galaxies et l’Univers

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Les galaxies

Maintenant que nous connaissons bien les faits et gestes des étoiles, nous voudrions comprendre dans quel panorama général s’inscrivent leurs prestations. Peut-on savoir pour quel genre de film elles déploient les grandes scènes de leur répertoire : naissance nébuleuse, vie dispendieuse, mort spectaculaire, recyclage des cadavres ?

Répondre à cette question requiert une longue et acrobatique enquête, à la limite de l’insensé. Demande-t-on au plancton de dresser une carte de l’océan ? Non, il flotte, insouciant. L’humain, lui, ne se satisfait pas de flotter benoîtement dans l’Univers, il veut percer des mystères de taille XXL et s’échine à déchiffrer ce que lui révèle la minuscule lueur des chandelles.

Grâce aux instruments comme le télescope spatial, en choisissant une toute petite surface du ciel profond, on peut prendre des clichés astronomiques qui moissonnent non pas des champs d’étoiles mais des champs de galaxies. Il s’agit d’un nouveau changement d’échelle par rapport au chapitre précédent. Sur un tel cliché1, chacun des petits objets détectés n’est pas une étoile, mais une galaxie entière, comparable à la nôtre, comprenant des dizaines de milliards d’étoiles. Et la surface du cliché ne représente qu’une infime portion du ciel, pas plus grande qu’une tête d’épingle tenue à bout de bras. Quelques centaines de galaxies sont visibles, mais il y en a des dizaines de milliers, extrêmement lointaines, qu’on devine tout juste à l’arrière-plan sous forme de grains légèrement colorés. On peut dire que chaque pixel de l’image recouvre une galaxie. L’Univers est tellement dense en galaxies que, vues de loin, elles forment une tapisserie continue. On estime qu’il y a 100 à 200 milliards de galaxies dans la région de l’Univers qui nous est accessible et qu’on appelle « l’Univers observable ».

Réalisez bien ce qui se passe. Nous nous trouvons dans une société d’étoiles en forme de roue, la Voie lactée. Toutes les étoiles que nous voyons à l’œil nu font partie de cette roue. Mais, lorsqu’on pointe un télescope entre elles – sur une partie « noire », donc –, on découvre que l’arrière-plan contient des objets très lointains qui sont d’autres galaxies. Et il y en a tellement qu’elles couvrent toute la surface disponible. Le fond du ciel, qui paraît noir, est en fait un tapis serré de minuscules lueurs. Chaque point cache un bouquet d’étoiles perché à plus ou moins grande distance de nous.

C’est le deuxième grand zoom arrière de notre randonnée dans le cosmos. Lors du premier, nous étions sortis du système solaire pour constater que celui-ci faisait partie d’une roue immense, la Voie lactée, contenant 100 milliards d’autres étoiles. Cette fois, nous sortons de la grande roue pour constater qu’elle fait partie d’une mégastructure colossale, l’Univers, contenant plus de 100 milliards d’autres galaxies. Nous allons maintenant nous intéresser à cette mégastructure, nous demander comment elle est organisée et quel est le destin des galaxies qui la composent. Ont-elles aussi une naissance, une vie, une mort ? Quelles sont les relations entre elles ? Forment-elles des sociétés à leur tour ? Quel motif compose le tableau global de l’Univers ? Une grappe ? Une guirlande ? Un grand-huit ? Un pied de nez ?

Les galaxies sont de formes et de couleurs diverses. Les plus proches de nous se situent à quelques dizaines de millions d’années-lumière, et les plus lointaines, à plus de 10 milliards. Les seules visibles à l’œil nu sont la galaxie d’Andromède dans l’hémisphère Nord et les deux Nuages de Magellan dans l’hémisphère Sud, qui apparaissent sous forme de petites taches floues. Vous les verriez, vous seriez tenté de hausser les épaules. Ces maigres halos diffus et peu lumineux ne ressemblent à rien ; c’est vraiment l’une des choses les moins spectaculaires qu’on puisse voir dans un beau ciel d’été – et seulement sans Lune ni pollution lumineuse. Ce sont pourtant les seules preuves directes de la profondeur réelle de l’Univers, les seuls messages extragalactiques offerts à nos faibles pupilles. Pour les Robinsons que nous sommes, Andromède et Magellan sont les seuls signaux provenant d’une autre île que la nôtre.

Au XVIII^e siècle, les astronomes avaient déjà repéré à travers la lunette quelques objets flous, qu’ils ont nommés « nébuleuses » en raison de leur aspect diffus, et de leur mystère qui ne l’était pas moins. Ils ne savaient pas s’il s’agissait d’objets proches dans notre Voie lactée ou bien de galaxies extérieures. Ce n’est qu’en 1925 qu’elles furent identifiées de façon sûre comme d’autres galaxies, par Edwin Hubble.

Dès ce moment, c’est en observant ces autres galaxies qu’on a pu se faire une impression de la nôtre. Difficile en effet de saisir ce dans quoi l’on est profondément immergé ; mais, en voyant un autre exemple, on est mieux informé. De même que, sans miroir, vous testerez sur quelqu’un d’autre le chapeau que vous voulez acheter, ainsi les galaxies voisines nous ont-elles renseignés sur la nôtre.

Types de galaxies

Chaque galaxie est unique en taille, en forme et en aménagement intérieur, mais, l’esprit humain ayant besoin de ranger les objets singuliers dans des catégories, on distingue en gros trois types de morphologies galactiques : spirales, elliptiques et irrégulières. Un peu comme on dirait les blondes, les brunes et les rousses.

Les galaxies spirales, comme la Voie lactée, comportent un disque, un bulbe et un halo2. Le disque est structuré en plusieurs bras spiralés. Parfois, ces bras s’attachent sur une barre centrale, on parle alors de « spirales barrées ».

Les galaxies irrégulières, comme les Nuages de Magellan, sont aplaties mais moins structurées, un peu comme des spirales sans bulbe et sans halo3.

Les galaxies elliptiques, au contraire, présentent un gros bulbe, un gros halo et pas de disque4. Ce sont des galaxies épaisses, dont la forme va de la sphère à la savonnette. Les elliptiques peuvent être colossales, jusqu’à cinq ou six fois la Voie lactée, ou au contraire très petites, auquel cas elles sont souvent satellisées autour de galaxies plus grandes, spirales ou elliptiques géantes.

Les galaxies elliptiques contiennent beaucoup moins de gaz que les autres. On pense que la production d’étoiles a été très précoce dans ces galaxies, consommant tout le gaz et l’empêchant de s’aplatir en disque (car c’est la gravitation interne au nuage de gaz qui cause cet effondrement). Les galaxies elliptiques auraient donc des caractères impatients, fabriquant dès la première heure des étoiles à un taux si élevé que le gaz s’épuise littéralement avant qu’un disque ne puisse se former. Les spirales, au contraire, auraient connu un démarrage moins précipité, conduisant à l’aplatissement du disque avant la phase de production massive d’étoiles. Quand le taux de natalité stellaire est plus faible, le gaz en rotation s’aplatit sous son propre poids avant de se condenser localement. Se condenser avant de s’aplatir ou s’aplatir avant de se condenser, that is the question pour les galaxies.

Quant aux irrégulières, elles figureraient un cas intermédiaire, ne sachant choisir entre les deux stratégies et faisant les deux à la fois.

Mais nous allons voir que la forme des galaxies n’est pas seulement due à leur métabolisme interne. Les rencontres qu’elles feront après leur naissance joueront un rôle déterminant dans leur destin.

Certaines galaxies présentent des caractéristiques particulières, telle une population de top models qui se remarquent de loin. Ce sont les galaxies à noyau actif5, des galaxies dont le noyau est extrêmement dense et lumineux (cent mille fois plus brillant que celui de la Voie lactée). Leur puissance de rayonnement serait due à la présence d’un trou noir supergéant qui absorbe de grandes quantités de gaz, qui s’échauffe violemment et brille avant de disparaître dans le puits gravitationnel.

Parmi elles, les quasars sont les plus puissants phares de l’Univers. Quant aux radiogalaxies, elles émettent des jets de gaz jusqu’à des milliers d’années-lumière de distance. Elles sont aussi centrées sur un trou noir géant en rotation rapide qui absorbe de la matière à l’équateur et en recrache une partie dans l’axe des pôles en un puissant faisceau détectable en ondes radio et infrarouge.

Reconnaissons que, pour un astre invisible, le trou noir est décidément la cause de bien des flonflons spectaculaires.

La matière des galaxies

En première approche, les galaxies apparaissent comme des lustres suspendus dans le ciel, et il est bien normal que les astronomes se soient d’abord intéressés aux sources de leur éclat : les étoiles. Mais on s’est aperçu assez vite que celles-ci ne peuvent pas constituer le tout, ni même l’essentiel des galaxies. En effet, leur mouvement au sein des galaxies est anormal. Il ne correspond pas à ce qu’il devrait être si la masse des galaxies se limitait à la somme des masses des étoiles. Celles-ci sont beaucoup trop rapides. À cette vitesse-là, et pour cette masse-là, elles devraient fuser en tous sens comme les gouttes d’eau autour d’un chien qui s’ébroue. Pour expliquer les vitesses de rotation des étoiles sans que la structure se disloque, il faut nécessairement postuler une masse totale très supérieure à la masse visible. Seul un corps en plomb pourrait expliquer que les gouttes d’eau ne quittent pas le chien cosmique. C’est la fameuse énigme de la matière noire.

De nombreuses pistes ont été explorées pour débusquer cette matière manquante, qui se résument en deux grands scénarios, devenus complémentaires.

D’une part, il y aurait de la matière noire « ordinaire », composée d’atomes et de molécules classiques, mais qui restent invisibles parce qu’ils ne brillent pas. C’est le cas des nuages de gaz et de poussières, des naines brunes et des planètes, des naines blanches et des naines noires, et enfin des trous noirs.

D’autre part, il y aurait de la matière noire « exotique », qui ne serait pas composée d’atomes ordinaires.

La matière noire ordinaire, on sait qu’il y en a. Notre planète est une grosse boule de matière noire ordinaire ; nous sommes nous-mêmes, ne vous en déplaise, de minuscules grumeaux de matière noire ordinaire. Le problème est de déterminer combien il y en a.

Dans le système solaire, nous savons que le Soleil concentre 99 % de toute la matière ordinaire disponible (soit 99 % de matière brillante pour 1 % de matière noire). C’est pourquoi nous avons pris l’habitude de compter la matière noire ordinaire pour quantité négligeable. Mais ce n’est pas du tout le cas à d’autres échelles de grandeur. À l’échelle des galaxies, il existe, on l’a vu, des nuages de gaz et de poussières qui occupent de vastes espaces vides entre les étoiles. C’est donc vers ces zones vides qu’on a orienté les recherches, ainsi que vers les banlieues des galaxies, ces zones trop peu fournies pour former des étoiles, mais sans doute bien trop pleines pour ne pas peser dans la balance.

Après des années de chasse à la matière noire ordinaire, on a récolté beaucoup d’indices, car cette matière, si elle ne brille pas en lumière visible, émet du rayonnement dans d’autres longueurs d’onde : infrarouge, radio… Un cliché de la galaxie spirale Messier 83, qui mesure quelques dizaines de milliers d’années-lumière dans le visible, révèle une taille cinq fois plus grande lorsqu’on l’observe en ondes radio6. Les bras de la galaxie terminés par une raréfaction d’étoiles sont en fait encore lourdement chargés d’une matière non brillante qui prolonge l’enroulement de plusieurs tours. De grandes quantités de gaz et de poussières sont ainsi disséminées sur le pourtour et à l’intérieur de l’espace galactique. La partie visible de la galaxie, simple spirale de lumière, ressemble à une guirlande de lampions incrustée dans un grand carrousel de matière noire. Nous voyons seulement les ampoules, mais c’est toute la masse du carrousel qui tourne et tient ensemble sous l’effet de la gravitation, telle une grande structure en bois soutenant la guirlande.

Finalement, des estimations répétées sur de nombreuses galaxies différentes permettent de fixer la quantité de matière noire ordinaire à environ dix fois la quantité de matière brillante (et cela comprend tous les trous noirs, supergéants et autres, qui sont massifs, mais peu nombreux, et au total ne pèsent pas très lourd). Malheureusement, ce n’est pas suffisant. Cette quantité de matière ne permet toujours pas d’expliquer la dynamique des étoiles au sein des galaxies. Il en faudrait encore dix fois plus !

Il faut donc qu’il y ait de la matière noire exotique. Bien qu’on observe ses effets gravitationnels, on n’a que des hypothèses théoriques sur sa composition. Cette matière noire serait constituée de particules élémentaires d’un type encore inconnu, qui n’émettent ni n’absorbent aucun rayonnement électromagnétique (sans quoi elles nous seraient déjà connues). En étroite union avec la matière ordinaire, cette matière exotique permettrait d’expliquer l’équilibre des galaxies (mais non de l’Univers tout entier, comme nous le verrons plus loin). Encore faut-il mettre la main dessus et célébrer le mariage.

Pendant longtemps, on a cru que le neutrino était le candidat parfait, le modèle du gendre idéal à qui l’on s’apprêtait à ouvrir toutes grandes les portes de la maison. Ces particules émises en rafales lors du Big Bang et dans le cœur des étoiles, et qui n’interagissent avec rien, correspondaient à toutes les exigences, sans qu’on connaisse encore leur masse. On en compte en effet en moyenne quatre cents par centimètre cube d’espace, soit 30 % de plus que de grains de lumière. Il n’en fallait pas plus pour espérer qu’une fois connue la masse des neutrinos allait précisément combler le manque. Hélas ! il n’en est rien. Lorsque la masse des neutrinos a enfin été mesurée, elle était bien trop minime pour satisfaire les projets de mariage. Le candidat ne fait pas le poids. En tout et pour tout, les neutrinos pèsent à peine plus que la moitié de la matière visible, soit une miette de la part manquante.

Il faut chercher ailleurs. Toujours ailleurs. La quête devient exténuante, et la promise, de plus en plus esseulée. On parle beaucoup actuellement du neutralino, une particule prédite par la théorie dite « supersymétrique », mais qui n’a pas encore été détectée. La chasse en est ouverte, dans les accélérateurs de particules.

La matière noire, quelle qu’elle soit, a très probablement présidé à la naissance des galaxies. En effet, insensible au rayonnement, elle a pu commencer à se condenser très tôt après le Big Bang, sous l’effet de la gravitation, alors que la matière ordinaire en était empêchée par ses interactions avec le rayonnement intense de cette époque. Ce n’est que lorsqu’ils ont été suffisamment refroidis que les atomes ont pu commencer à se condenser. Et sans doute l’ont-ils fait alors, tout naturellement, en rejoignant des îlots de matière noire qui s’étaient déjà formés.

Pour le bilan de la matière dans les galaxies, on en arrive donc au tableau suivant : 1 % de matière visible (matière classique brillante, c’est-à-dire les étoiles), 9 % de matière noire ordinaire (matière classique invisible, c’est-à-dire tout le reste) et 90 % de matière noire exotique (particules de type inconnu). 1 % de visible, 9 % d’invisible, 90 % de fantômes.

Ces catégories sont liées, bien sûr, à nos moyens de perception : visible, ce que nous voyons, à l’œil ou au télescope optique ; invisible, ce que nous détectons dans d’autres longueurs d’ondes ; fantômes, ce que nous ne voyons ni ne détectons.

Serions-nous fabriqués autrement, l’Univers serait peut-être sens dessus dessous. Il suffirait que nous ayons des yeux pour les ondes radio ou les rayons X, à l’exclusion du reste, pour que l’Univers nous apparaisse fort différent. Et il y a peut-être, au sein de la matière noire exotique, des civilisations qui se demandent de quoi peuvent bien être faits les 10 % de matière manquante. Au moins sont-ils satisfaits de connaître la plus grande part du monde, tandis que nous, avec nos 90 % d’inconnu, sommes plutôt les dindons de la farce…

À moins que tout ce feuilleton autour de la matière noire ne soit fondé sur un quiproquo ? Certains physiciens commencent à penser que, si les étoiles et les galaxies ont le mouvement qu’elles ont, ce n’est pas parce que leur masse réelle nous échappe, mais parce que les lois de leur mouvement ne sont pas celles que nous croyons.

Les lois de la gravitation qui découlent de la relativité générale (et qui se résument dans la plupart des cas aux lois de Newton) concordent parfaitement avec tous les mouvements observables dans le système solaire. Planètes, lunes, astéroïdes, comètes, satellites, sondes, fusées, missiles, avions, boulets, et jusqu’aux pommes qui tombent, tout cela répond aux calculs à la virgule près. Mais, pour la galaxie dans son ensemble… finalement rien ne permet d’en être sûr. Qui sait si la formule de Newton n’est pas une approximation, valable à notre échelle, d’une loi plus générale qui donne des résultats différents sur les très longues distances ? Ou s’il n’existe pas des champs de force qui deviennent sensibles à grande échelle, lorsque la gravitation est très faible, et qui modifient le mouvement des corps ? Plusieurs tentatives théoriques explorent activement ces hypothèses (MOND, théorie de la dynamique newtonienne modifiée, MOG, théorie de la gravitation modifiée…), mais nous ne sommes pas encore près de transformer ou de jeter aux orties une théorie aussi performante que la relativité générale. À l’heure actuelle, tout incroyable qu’elle soit, l’hypothèse de la matière noire exotique reste la moins coûteuse et la plus plausible pour expliquer les écarts de comportement de la matière dans l’Univers.

Le passé vu dans les galaxies

Rappelons-le encore : quand on étudie un cliché de l’espace lointain, il faut prendre en compte la profondeur temporelle en même temps que la profondeur spatiale. Les rayons lumineux des objets lointains mettent longtemps à nous parvenir. Pour les étoiles de notre galaxie, cela ne produit qu’un décalage de quelques années ou ...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Avant-propos
• Plan de l’ouvrage
• Pour débuter : quelques notions de base
• Première partie - Nouvelles régionales : les planètes et le système solaire
• Deuxième partie - Nouvelles nationales : les étoiles et la galaxie
• Troisième partie - Nouvelles internationales : les galaxies et l’Univers
• Annexes - Les moyens et les métiers de l’astronomie
• Remerciements
• Des mêmes auteurs