L’observation des naines rouges et des naines brunes

Depuis les années 1990, les astronomes tentent d’observer directement les différents candidats proposés pour expliquer la matière noire baryonique afin d’estimer leur contribution.

Les naines rouges

Jusque dans les années 1990, les télescopes terrestres étaient incapables de confirmer l’importance des naines rouges du fait de la turbulence atmosphérique. Leurs images étaient peu lumineuses et floues et ressemblaient à des galaxies, ce qui rendait leur étude impossible.

Avec l’avènement du télescope spatial Hubble, il devint possible d’observer des naines rouges cent fois plus faibles qu’auparavant et de les différentier des galaxies. Des observations furent alors menées dans des zones du ciel choisies de manière aléatoire et montrèrent que les naines rouges n’étaient pas aussi abondantes qu’on ne l’imaginait. Leur masse totale ne représentait qu’environ 10 pour cent de celle de la Galaxie.

D’autres observations concentrées sur un amas globulaire montrèrent que le nombre de naines rouges de masse supérieure à un cinquième de celle du Soleil était très grand, avec à peu près une centaine de naines rouges pour une étoile de type solaire. Mais ces observations montrèrent également qu’il n’y avait pas de naine rouge de masse inférieure. La masse limite de formation des étoiles n’est donc probablement pas de huit pour cent de celle du Soleil, comme le prévoyaient les modèles théoriques, mais plutôt d’environ vingt pour cent.

En tout cas, il ressortait de ces observations que les naines rouges ne formaient qu’une très faible fraction de la matière noire dans les halos de galaxies, de l’ordre de six pour cent.

Les naines brunes

Les naines brunes n’émettent guère de lumière et sont donc pratiquement impossibles à détecter, même dans le voisinage du Soleil. Néanmoins, juste après leur formation, ces étoiles sont soumises à une phase de contraction qui dure quelques centaines de milliers d’années. Pendant cette période, elles libèrent une grande quantité d’énergie gravitationnelle et peuvent donc émettre un rayonnement.

Gliese 229B La première naine brune découverte en 1994 à l’observatoire du mont Palomar (le petit point lumineux un peu à droite du centre de chaque image). La naine brune, baptisée Gliese 229B, est en orbite autour d’une naine rouge (à gauche) et se trouve à environ 19 années-lumière de la Terre. L’image de gauche provient de l’observatoire du mont Palomar, celle de droite fut prise en 1995 par le télescope spatial. Crédit : S. Kulkarni/Caltech/D. Golimowski/JHU/STScI/NASA

Il va sans dire que les effets de la turbulence atmosphérique empêchent toute observation avec un télescope terrestre classique. C’est ainsi un système d’optique adaptative qui détecta la première naine brune en 1994, une découverte rapidement confirmée par le télescope spatial. Cette naine brune, baptisée Gliese 229B, forme avec une naine rouge un système binaire situé à 19 années-lumière. La masse de la naine brune est entre 20 et 50 fois plus grande que celle de Jupiter et sa luminosité est 100.000 fois plus faible que celle du Soleil. Son atmosphère est quant à elle semblable à celle de Jupiter, avec en particulier une grande abondance de méthane.

Cette découverte était très importante car elle montrait que les naines brunes existaient réellement. Depuis lors des programmes d’observation comme 2MASS (Two Micron All Sky Survey) et SDSS (Sloan Digital Sky Survey) et la mission spatiale WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer) ont détecté des centaines de naines brunes.

Malgré ces observations, la contribution des naines brunes à la matière noire est encore difficile à évaluer, elle est en tout cas assez faible, comme l’a montré une autre technique utilisée pour étudier la matière noire : l’effet de microlentille gravitationnelle.