Les distances en astronomie : Les galaxies et l’Univers

Pour la première partie : Les distances en astronomie – Autour du Soleil

La Voie Lactée et le Groupe Local

Les étoiles et nébuleuses visibles à l’œil nu n’occupent qu’une petite fraction d’un ensemble beaucoup plus grand : la Voie Lactée. Cet ensemble contient entre 200 et 400 milliards d’étoiles, il ressemble à un disque de 1000 AL d’épaisseur et de 100.000 AL de diamètre. La Terre et le Soleil se trouvent à 27.000 AL du centre de la Voie Lactée et orbitent autour de lui en une année galactique, soit 230 millions d’années.

La Voie Lactée n’est qu’une galaxie parmi d’autres. Depuis l’hémisphère sud, on peut facilement voir à l’œil nu deux petites galaxies satellites de la nôtre : le Grand Nuage de Magellan, à 160.000 AL, et le Petit Nuage de Magellan, à 200.000 AL. Depuis l’hémisphère nord, on peut observer une galaxie plus similaire à la nôtre : la galaxie spirale d’Andromède, à 2.5 millions d’AL.

La Voie Lactée et la galaxie d’Andromède sont les membres principaux d’un ensemble d’une cinquantaine de galaxies appelé le Groupe Local dont le diamètre est estimé à 10 millions d’AL. On observe beaucoup d’ensembles plus grands, avec des centaines ou des milliers de membres, que l’on appelle alors des amas de galaxies. On peut citer par exemple l’amas de la Vierge, à 60 millions d’AL, qui pourrait compter jusqu’à 2000 membres.

Le Groupe Local

Le Groupe Local distribué autour de ses deux membres principaux : la Voie Lactée et la galaxie d’Andromède. Crédit : Andrew Z Colvin/Wikimedia Commons

Les superamas

Les observations montrent que le Groupe Local et les amas de galaxies qui l’entourent forment une structure encore plus gigantesque, centrée sur l’amas de la Vierge, d’où son nom : le superamas de la Vierge. Son diamètre est de 100 millions d’AL et il contient une centaine de groupes et d’amas de galaxies.

Le superamas de la Vierge fait lui-même partie d’un ensemble extraordinaire appelé le complexe de superamas Poissons-Baleine. Cette structure, découverte en 1987, est large de 150 millions d’AL et longue d’un milliard d’AL. D’autres structures plus grandes ont été observées au-delà du superamas de la Vierge: le Grand Mur de Sloan, d’environ 1,4 milliard d’AL de long et découvert en 2003, et le Huge-LQG (Huge Large Quasar Group), de 4 milliards d’AL de long et découvert en 2012.

Ces ensembles de l’ordre du milliard d’AL représentent les structures les plus grandes de l’Univers observable. Leur existence constitue en fait une surprise, car, à cette échelle, l’Univers devrait en principe être homogène et isotrope : ses propriété devraient être les mêmes en tout point et en toute direction. Par exemple, la quantité de matière contenue dans un cube d’un milliard d’AL de côté devrait être la même que le cube soit centré sur le superamas de la Vierge ou sur un point à 50 milliards d’AL de nous.

Le superamas de la Vierge

Le superamas de la Vierge qui contient au moins une centaine de groupes et d’amas de galaxies. L’image est centrée sur le Groupe Local, mais le vrai centre de gravité se trouve près de l’amas de la Vierge. Crédit : Andrew Z Colvin/Wikimedia Commons

L’Univers observable

Au-dessus du milliard d’AL, nous nous retrouvons à l’échelle de l’Univers observable. Contrairement à l’Univers considéré dans sa totalité, l’Univers observable n’inclut que les corps et structures que nous pouvons observer depuis la Terre. Comme aucune information ne peut se propager plus vite que la vitesse de la lumière et que l’Univers n’existe que depuis 13,8 milliards d’années, la taille de l’Univers observable est définie par la distance que la lumière a parcourue en 13,8 milliards d’années.

Pour calculer la taille de l’Univers observable, il faut cependant aussi prendre en compte l’expansion de l’Univers. Comme l’espace s’est continuellement dilaté depuis le Big Bang, la limite de l’Univers observable est beaucoup plus éloignée que les 13,8 milliards d’AL auxquelles on pourrait s’attendre à première vue. En fait, les modèles cosmologiques basés sur les observations et la théorie de la relativité générale montrent que le diamètre de l’Univers observable est d’environ 93 milliards d’AL.

La limite de l’Univers observable est relative et n’a pas de signification physique. L’Univers dans son ensemble doit s’étendre bien au-delà de cette limite et il est même probable qu’il soit infini. Malheureusement, ces régions nous sont à tout jamais inaccessibles. Les modèles qui tentent de les décrire ne pourront donc pas être vérifiés par l’observation et la question de la taille de l’Univers dans son ensemble ne trouvera jamais de réponse.

Voir aussi : Découverte du superamas Laniakea

Planck établit une nouvelle carte du rayonnement fossile

L’Agence Spatiale Européenne vient de publier les premiers résultats de la mission Planck. Lancé en 2009, le satellite Planck observe le ciel dans le domaine des micro-ondes. Son objectif est d’analyser le rayonnement fossile, une relique de l’Univers primordial. Ce rayonnement est né 380.000 ans après le Big Bang, lors de la formation des premiers atomes, lorsque la température de l’Univers était d’environ 3000 degrés. Après plus de 13 milliards d’années d’expansion, sa température est tombée à 2,73 degrés au-dessus du zéro absolu (soit environ -270 degrés Celsius) et son émission est par conséquent maximale dans le domaine micro-onde.

Le rayonnement fossile est d’une extrême uniformité : sa température est la même dans toutes les directions du ciel. Cependant, si on l’observe avec une précision de l’ordre du cent-millième, on commence à apercevoir d’infimes variations de la température selon la direction du ciel par rapport à la valeur moyenne. Ce sont ces fluctuations, appelées l’anisotropie du rayonnement fossile, que Planck a pour mission d’analyser. Deux observatoires spatiaux de la NASA, COBE en 1989 et WMAP en 2001, ont déjà étudié ces variations, mais Planck apporte une meilleure résolution angulaire, une meilleure sensibilité et une plus grande gamme de fréquence.

Le rayonnement fossile par Planck

Les infimes fluctuations de la température du rayonnement fossile observées par le satellite Planck de l’Agence Spatiale Européenne. Les zones bleues sont légèrement plus froides que la moyenne et indiquent des régions plus denses qui formeront plus tard les structures que nous observons aujourd’hui dans l’Univers : amas de galaxies, galaxies et étoiles. Crédit : ESA/Planck Collaboration

Les résultats qui viennent d’être publiés apportent donc des mesures plus précises de certains paramètres cosmologiques. L’âge de l’Univers est revu à la hausse de 80 millions d’années, il est maintenant estimé à 13.82 milliards d’années. Le taux d’expansion de l’Univers, mesuré par la constante de Hubble, est revu à la baisse, la valeur de la constante tombe à 67.15 kilomètres par seconde et par mégaparsec (le mégaparsec est égal à 3.26 millions d’années-lumière) au lieu de la valeur de 71 mesurée par WMAP. Le rapport entre les différentes formes de matière et d’énergie de l’Univers est également calculé plus précisément, avec dorénavant 4,9 pour cent de matière ordinaire, 26,8 pour cent de matière noire et 68,3 pour cent d’énergie noire (les anciennes estimations étaient respectivement de 4,5, 22,7 et 72,8).

Planck confirme également deux anomalies qui n’ont pas encore d’explication. D’abord, le rayonnement n’est pas parfaitement uniforme à grande échelle, c’est-à-dire qu’on observe une légère asymétrie de la température moyenne dans des directions opposées du ciel, une sorte de direction privilégiée de l’expansion que les modèles cosmologiques standards ne peuvent pas expliquer. Ensuite, Planck confirme l’existence d’un point froid, une zone assez grande de température légèrement plus faible que la moyenne qui ne peut pas être expliquée comme une simple fluctuation statistique. Ces deux anomalies avaient déjà été suggérées par la mission WMAP, mais on les attribuait à des variations statistiques plutôt qu’à un phénomène réel. Leur existence et leur nature cosmologique sont maintenant bien établies et restent donc à expliquer.

L’expansion de l’Univers il y a onze milliards d’années

Les scientifiques de l’expérience BOSS viennent d’annoncer la première mesure de la vitesse d’expansion de l’Univers à une époque où l’énergie noire n’avait pas encore d’influence majeure et l’expansion ralentissait sous l’effet de la gravité.

Le relevé BOSS

Le relevé cartographique BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) est l’un des quatre projets du programme SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey), dont les observations sont effectuées au télescope de 2.5 mètres de l’observatoire d’Apache Point au Nouveau Mexique. Son objectif est de mesurer la trace des oscillations acoustiques baryoniques de l’Univers primordial, par l’observation de galaxies lointaines et de quasars.

Les oscillations acoustiques baryoniques sont des sortes d’ondes sonores qui se propageaient lors des premières centaines de milliers d’années de l’Univers, lorsque celui-ci était encore un mélange de protons, de neutrons et de photons en interaction (voir le relevé BOSS pour plus de détails). Ces oscillations ont laissé une trace caractéristique dans la structure à grande échelle de l’Univers, que l’on peut étudier en faisant un relevé de la distribution des amas de galaxies.

L’analyse des quasars

En avril 2012, l’équipe du relevé BOSS avait présenté des résultats obtenus sur des galaxies lointaines, qui nous permettaient d’observer la trace des oscillations jusqu’à une époque il y a environ 5,5 milliards d’années (plus les galaxies étudiées sont lointaines, plus l’époque que nous observons est reculée). Mais la technique utilisée alors ne pouvait guère aller plus loin, car, à cette distance, la luminosité apparente des galaxies devient trop faible pour des mesures précises.

Le résultat annoncé cette semaine s’est donc appuyé sur une technique nouvelle pour observer la structure de l’Univers à des distances supérieures. Le télescope de l’observatoire d’Apache Point a observé le spectre de 48.000 quasars, un type de galaxies très lumineuses qui peut être observé à des distances beaucoup plus grandes et dont le spectre fournit une mine d’informations.

Avant d’atteindre la Terre, la lumière d’un quasar doit traverser tous les nuages d’hydrogène intergalactique qui se trouvent sur son chemin. Ces nuages absorbent une partie de la lumière du quasar et créent des raies d’absorption dans son spectre. Ces nuages se répartissent sur une gamme de distance entre la Terre et le quasar et sont donc affectés par des décalages vers le rouge différents. La longueur d’onde apparente de leurs raies d’absorption est par conséquent variable et le spectre des quasars contient ainsi un enchevêtrement de raies appelé une forêt Lyman-alpha.

L’Univers il y a 11 milliards d’années

L’analyse des raies d’absorption d’un quasar nous permet donc de déterminer la distribution de matière sur sa ligne de visée. En étudiant un grand nombre de quasars, on peut par conséquent construire une carte de la structure de l’Univers sur des distances très vastes.

L'expansion de l'Univers

La variation de la vitesse d’expansion de l’Univers en fonction du temps avec d’abord une phase de décélération puis une phase d’accélération qui se met en place il y a environ sept milliards d’années. Le point rouge indique le résultat qui vient d’être publié. Crédit : Zosia Rostomian, LBNL, Nic Ross, BOSS Lyman-alpha team, LBNL

En utilisant cette technique, les scientifiques de la collaboration BOSS ont pu mesurer l’échelle des oscillations acoustiques baryoniques il y a 11 milliards d’années et en déduire la vitesse d’expansion de l’Univers à cette époque : 224 kilomètres par seconde par mégaparsec (le mégaparsec est égal à 3.26 millions d’années-lumière), à comparer à la valeur actuelle de 72 kilomètres par seconde par mégaparsec (ce qui signifie qu’un bout d’espace d’un mégaparsec de long s’étend actuellement de 72 kilomètres à chaque seconde).

Le résultat n’est pas inattendu. Les modèles actuels montrent qu’à cette époque reculée la vitesse d’expansion ralentissait sous l’effet de l’attraction gravitationnelle entre les galaxies. Ce n’est qu’il y a environ sept milliards d’années que la mystérieuse énergie noire a pris le dessus sur cette attraction et cause depuis lors une accélération de l’expansion de l’Univers. Ce type d’étude va nous permettre de raffiner nos modèles et de mieux comprendre la transition entre les phases de décélération et d’accélération de l’Univers sous l’effet de l’énergie noire.

Première observation directe de galaxies noires

Les galaxies noires sont des corps dont l’existence a été proposée dans le cadre des théories sur la formation et l’évolution des galaxies. Il s’agit de petites galaxies riches en gaz, mais contenant très peu d’étoiles, qui ont dû apparaître pendant les premiers milliards d’années de l’Univers. Elles sont considérées comme les éléments de base qui ont formé les galaxies actuelles, riches en étoiles et beaucoup plus grandes.

Les galaxies noires avaient du mal à produire des étoiles car elles étaient principalement constituées d’hydrogène et d’hélium, les deux seuls éléments créés en quantités significatives pendant la phase de nucléosynthèse primordiale du Big Bang. Il leur manquait donc les éléments plus lourds qui sont créés par la nucléosynthèse stellaire, des éléments lourds qui favorisent de nos jours la formation de nouvelles générations d’étoiles.

Galaxies noires

Le quasar HE 0109-3518, entouré d’un cercle rouge, et les douze galaxies noires détectées par le VLT, indiquées en bleu. L’image est une combinaison des observations du VLT avec des données du relevé Digitized Sky Survey 2. Crédit : ESO, Digitized Sky Survey 2, S. Cantalupo (UCSC)

La détection des galaxies noires

Ces galaxies contiennent très peu d’étoiles et n’émettent donc guère de lumière, raison pour laquelle il a fallu attendre si longtemps pour pouvoir confirmer leur existence. Plusieurs techniques de détection ont été utilisées par le passé, en particulier l’analyse du spectre d’objets plus lointains, par exemple les quasars, qui devrait révéler une légère absorption due aux galaxies noires présentes entre le quasar et nous. Ces observations sont néanmoins très difficiles et n’ont pas produit de résultats conclusifs.

L’étude qui vient d’être publié par l’ESO est issue d’une nouvelle technique. Elle consiste à observer une région de l’espace entourant un quasar en espérant que quelques galaxies noires se trouvent à proximité. Rappelons qu’un quasar est une galaxie très brillante dont l’énergie provient d’un trou noir supermassif central. Comme le quasar est extrêmement lumineux, il va inonder les galaxies noires environnantes de son rayonnement ultraviolet. Les atomes d’hydrogène de la galaxie absorbent cette énergie puis la libèrent en réémettant de la lumière, un phénomène bien connu puisqu’il s’agit de la fluorescence.

Cette lumière réémise par fluorescence devrait en principe être détectable par nos télescopes. Du fait de l’expansion de l’Univers, elle est un peu décalée en longueur d’onde avant d’atteindre la Terre et nous arrive dans la partie violette du domaine visible. Comme nous parlons de corps qui se trouvent à des milliards d’années-lumière, ce rayonnement est évidemment très faible et il faut de longues poses sur de grands télescopes pour espérer le détecter.

Autour du quasar HE 0109-3518

Le résultat de l’ESO provient de l’observation du quasar HE 0109-3518 par le VLT au Chili. La lumière du quasar a été émise il y a 11 milliards d’années, donc à peine trois milliards d’années après le Big Bang. Les longues poses du VLT ont réussi à mettre en évidence une centaine de corps sombres dans une région d’une dizaine de millions d’années-lumière autour du quasar.

Pour éliminer les galaxies plus classiques, dont la lumière serait d’origine stellaire, les chercheurs n’ont retenu que les corps qui présentaient une raie spectrale nette à la longueur d’onde attendue. Il reste alors douze candidates au titre de galaxie noire. Leur masse typique est d’environ un milliard de masses solaires et leur taux de création d’étoiles cent fois inférieur aux galaxies plus ordinaires de la même époque, comme le prévoyait la théorie.

Les observations dans ce domaine assez nouveau vont continuer et bénéficier en particulier d’un nouveau spectrographe appelé MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) qui sera installé sous peu au VLT.

Une particule compatible avec le boson de Higgs

Le CERN vient d’annoncer, lors de la 36e conférence internationale sur la physique des hautes énergies à Melbourne, la découverte d’une particule dont le profil suggère qu’il s’agit du fameux boson de Higgs. Pour une introduction à l’importance de cette particule, le rôle du LHC (Large Hadron Collider), la signification statistique des résultats et l’unité de masse utilisée, voir l’article sur la conférence de presse de décembre 2011 : des indices de l’existence du boson de Higgs au LHC.

CMS

Représentation d’une collision de protons qui engendre la création d’une multitude de particules (en jaune), en particulier un boson de Higgs qui se désintègre en produisant deux photons (en rouge) que le calorimètre électromagnétique de l’expérience CMS peut détecter. Crédit : CMS Collaboration/CERN

Rappelons que deux expériences indépendantes du LHC sont à la recherche du fameux boson : CMS (Compact Muon Solenoid) et ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus). Dans les résultats annoncés aujourd’hui, la collaboration CMS observe une particule d’une masse d’environ 125 GeV avec une signifiance statistique de 5 sigma. L’expérience ATLAS observe quant à elle une particule d’une masse d’environ 126 GeV avec également une signifiance statistique de 5 sigma. Comme la valeur de 5 sigma est justement le seuil traditionnel pour parler d’une découverte, le CERN a donc officiellement annoncé la découverte d’une nouvelle particule.

S’agit-il du boson de Higgs proposé de façon indépendante par plusieurs physiciens dans les années 60 ? Les propriétés de la particule découverte aujourd’hui sont compatibles avec le boson de Higgs proposé dans le modèle standard de la physique des particules, mais il est trop tôt pour déclarer qu’il s’agit bien de cette particule. Remarquons aussi qu’en réalité de nombreuses théories ont été proposées, qui font appel à un ou plusieurs bosons de Higgs, par exemple dans les modèles de supersymétrie, et il est trop tôt pour départager ces théories.

En fait, c’est une nouvelle période de recherche qui s’ouvre, dont le but va être d’étudier plus précisément les propriétés de cette particule, en particulier son taux de désintégration dans différents modes et son spin. Le spin est une propriété fondamentale des particules élémentaires qui, en simplifiant beaucoup, peut être imaginée comme mesurant la rotation d’une particule sur elle-même. S’il s’agit bien du boson de Higgs, son spin devrait être nul. Lorsque ces propriétés seront mieux connues, l’une des théories actuelles sera confirmée ou peut-être faudra-t-il en créer une nouvelle ?