SUR LES TRACES DE LA MATIÈRE DANS LE COSMOS

L'exposé débutera par une présentation synthétique de l'état actuel des connaissances concernant la genèse et l'histoire de l'Univers (modèle du big bang). Nous préciserons le rôle des différentes formes de matière et d'énergie dans l'évolution et la structuration de l'Univers. Ceci nous permettra en particulier d'introduire les concepts de la matière sombre et de l'énergie noire. La plus grande partie de l'exposé sera consacré à un tour d'horizon de quelques unes des méthodes utilisées pour identifier et caractériser les différentes composantes de matière et d'énergie présentes dans l'univers. Nous verrons en particulier comment l'étude des anisotropies du fond diffus micro-ondes permet de contraindre le contenu matériel du cosmos. Ce fond de rayonnement électromagnétique est le vestige du passé chaud de l'Univers et ses infimes anisotropies nous révèlent les clés de la physique de l'univers primordial. Nous montrerons ensuite comment l'observation des supernovae lointaines, véritables feux d'artifices cosmiques, apportent une information complémentaire à travers les contraintes obtenues sur la géométrie globale de l'univers. Enfin, la dernière partie de l'exposé nous amènera à explorer les étoiles à neutrons, ainsi que les trous noirs et leurs disques d'accrétion. Les observations à haute énergie, dans le domaine des rayons X et gamma permettent de lever le voile sur ces objets, sièges des phénomènes les plus violents dans l'univers. Dans les prochaines années, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ouvriront peut-être une nouvelle fenêtre d'observation de ces objets insolites.

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Paris, 7 décembre 2011

Voir tourner le coeur des étoiles
En étudiant les vibrations des étoiles, une équipe internationale, qui inclut des chercheurs de l'AIM (1) (CEA-Irfu (2), CNRS, Université Paris Diderot) et du LESIA (3) (Observatoire de Paris, CNRS, UPMC, Université Paris Diderot), a pour la première fois observé le phénomène de rotation du cœur des géantes rouges et montré que leur noyau tournait 10 fois plus vite que leur enveloppe. Grâce à l'astérosismologie (4) et aux données fournies par le satellite Kepler (5), les chercheurs ont mesuré les vitesses de rotation de trois de ces étoiles en fin de vie. A terme, les astrophysiciens espèrent analyser plus de 15.000 géantes rouges observées par Kepler et mieux décrire le subtil mécanisme de rotation du coeur également à l'œuvre dans le Soleil. Les résultats sont publiés dans la revue Nature du 7 décembre 2011.
Les géantes rouges représentent un stade très avancé de l'évolution des étoiles : elles ont brûlé tout l'hydrogène primordial contenu dans leur cœur. Les réactions de fusion nucléaire, qui transforment cette matière première en hélium, se déplacent alors vers les couches les plus externes de l'étoile. Celle-ci enfle et devient alors géante et rouge. Le principe fondamental de conservation du « moment cinétique » exigerait que le cœur de ces étoiles tourne plus vite que leur enveloppe (6). Mais jusqu'ici, il était impossible pour les astrophysiciens de vérifier directement cette hypothèse, appréhendée uniquement au moyen de calculs théoriques. De même, il était impossible de déterminer avec précision les propriétés de rotation de ces astres.

Dernièrement, grâce à l'astérosismologie, en étudiant les vibrations propres des étoiles, une équipe internationale est parvenue à localiser les réactions de fusion nucléaire au sein de leur cœur (7). Deux types d'ondes se propagent à l'intérieur de l'étoile : des ondes acoustiques (ou sonores) dans ses couches externes et des ondes de gravité dans son cœur. Parfois des « modes mixtes », mélanges d'ondes de gravité et d'ondes acoustiques, sont aussi observés. Ils permettent de sonder un très large volume dans la structure de l'étoile.

Aujourd'hui, grâce à l'astérosismologie et aux données recueillies par le satellite Kepler, des chercheurs, notamment de l'AIM (CEA-Irfu, CNRS, Université Paris Diderot) et du LESIA (Observatoire de Paris, CNRS, UPMC, Université Paris Diderot), ont pu mesurer pour la première fois la vitesse de rotation d'une étoile géante rouge, en fonction de la profondeur de la couche de matière sondée, et jusqu'au cœur de l'astre. Leurs travaux ont porté sur l'analyse de trois étoiles : KIC 8366239, KIC 5356201 et KIC 12008916 parmi celles observées entre les constellations de la Lyre et du Cygne. Ils ont notamment observé que le cœur de ces géantes rouges, environ 40% plus massives que le Soleil, tourne jusqu'à 10 fois plus vite que leur enveloppe. C'est en utilisant les « modes mixtes »  que les chercheurs ont ainsi « vu » le cœur des géantes tourner. « Avec ces résultats, nous confirmons les prédictions théoriques établies auparavant, explique Rafael Garcia, chercheur de l'AIM, qui a participé à l'étude. En revanche, ce qui est nouveau et qui était inimaginable il y a encore quelques années, c'est de pouvoir faire des mesures directes de la rotation interne des étoiles, à différents moments de leur évolution. Pour la première fois, nous allons pouvoir confronter des mesures à nos modèles purement théoriques. C'est une véritable révolution. »

Cette étude ne peut pour l'instant être adaptée au Soleil en raison de la forte convection de ses régions extérieures ; les modes acoustiques dominent largement les modes de gravité, et les « modes mixtes » et de gravité n'ont pu être isolés. Néanmoins, les chercheurs espèrent à terme obtenir des informations sur la rotation du cœur du Soleil, l'astre du jour, ce qui constituera une avancée majeure pour la compréhension de l'évolution de la rotation interne des étoiles et sa modélisation théorique.

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17 juillet 2003

La matière noire d'un amas de galaxies lointain cartographiée par le télescope spatial Hubble
Une équipe internationale d'astronomes , dirigée par Jean-Paul Kneib, chargé de recherche au CNRS (laboratoire d'astrophysique de l'Observatoire Midi-Pyrénées / Université Toulouse 3 - CNRS et Caltech) a cartographié la distribution de la matière noire dans un amas de galaxies en utilisant le télescope spatial Hubble. Ces résultats seront présentés à l'assemblée générale de l'Union Astronomique Internationale à Sidney en Australie. C'est la plus longue observation d'un amas de galaxies jamais réalisée avec Hubble. Ces recherches permettent pour la première fois d'avoir une vision complète d'un amas de galaxies jusqu'à des distances de plus de 15 millions d'années lumière à partir du centre de l'amas. En comparant la carte de matière noire avec la répartition des galaxies et de la matière lumineuse de l'amas, les chercheurs peuvent ainsi mieux comprendre de quelle manière ces amas se sont formés et le rôle de la matière noire au cours de l'évolution cosmique.
 
Plus de 80% de la masse de l'Univers n'émet aucune lumière : c'est la matière noire, dont la nature et la répartition dans l'Univers sont encore mal connues. Les amas de galaxies sont les plus grandes structures stables de l'Univers et des " laboratoires " privilégiés pour étudier les relations entre la matière ordinaire : galaxies, étoiles, gaz intergalactique, et cette mystérieuse matière noire. Dès 1937, l'astronome Fritz Zwicky avait en effet remarqué que les milliards d'étoiles des milliers de galaxies d'un amas ne représentaient qu'une toute petite fraction de la masse totale de ces systèmes. Environ 80 à 85 % de la matière est de fait invisible. Bien que la présence de cette matière soit connue depuis plusieurs décennies, ce n'est que récemment que les chercheurs ont trouvé une technique pour déterminer sa répartition dans les amas de galaxies.

Pour ce faire, il faut observer des milliers de galaxies très peu lumineuses, situées derrière l'amas cible. Ce sont les formes de ces galaxies qui permettent de reconstituer la distribution de la matière, lumineuse et sombre, dans l'amas. Les rayons lumineux qui nous proviennent de ces galaxies très lointaines sont en effet courbés par l'énorme masse de l'amas suivant un effet de relativité générale connu sous le nom de " lentille gravitationnelle ". Les images des galaxies d'arrière plan sont donc déformées et en mesurant exactement ces déformations on peut cartographier la distribution de la masse de l'amas.

L'équipe internationale d'astronomes, rassemblée autour de Jean-Paul Kneib vient de cartographier la matière noire dans l'amas de galaxies Cl0024+1654, exercice difficile puisque par définition cette matière n'émet pas de lumière. Pour réaliser les images de l'amas et des galaxies d'arrière-plan, plus de 120 heures d'observations avec le télescope spatial Hubble ont été nécessaires. Bien que distant d'environ 4.5 milliards d'années lumières (soit à peu près un tiers de l'âge de l'Univers), cet amas massif occupe sur le ciel une surface comparable à la taille de la pleine lune.
Ce travail montre que la densité de matière à grande échelle chute fortement quand on s'éloigne du centre de l'amas. Ce résultat est en cohérence avec les simulations numériques les plus récentes.
De manière plus détaillée, l'équipe a détecté des sous-structures dans la carte de matière noire. Ils ont, en particulier mis en évidence une concentration de matière noire associée avec un groupe de galaxies qui est en train de fusionner avec l'amas. Les chercheurs en concluent que la matière noire suit précisément la distribution des galaxies, et ce sur de très grandes échelles. " Lorsqu'un amas est en train de se former, la matière noire s'étale entre les galaxies et joue le rôle d'un liant entre les galaxies. L'association entre galaxies et matière noire, observée dans l'amas Cl0024+1654 indique que de telles structures se forment par l'agrégation de groupes plus petits, qui eux-mêmes ont déjà leur composante de matière noire. " explique Jean-Paul Kneib.

La caméra WFPC2 (Wide Field and Planetary Camera 2) a été utilisée pour ces observations. La camera ACS (Adcanced Camera for Survey), dix fois plus efficace, qui vient d'être installée sur Hubble, permettra de continuer de telles observations sur d'autres amas. Il sera donc possible d'étudier de plus petites structures en masse et donc de mieux comprendre comment les amas de galaxies se sont formés.

En retraçant ainsi la distribution de la matière noire dans les structures les plus massives de l'Univers, les astronomes progressent dans la compréhension de la formation de ces structures géantes et du rôle clef que joue certainement la matière noire dans leur évolution et celle de l'Univers en général.

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Paris, 25 mars 2010

Une nouvelle preuve de l'accélération de l'expansion de l'Univers grâce à Hubble
Une collaboration européenne, à laquelle participent trois chercheurs de l'Institut d'astrophysique de Paris (CNRS / UPMC, OSU/INSU (1)), vient de confirmer, en utilisant l'effet de lentilles gravitationnelles, que l'Univers est en expansion accélérée. Les astronomes se sont appuyés sur les données du relevé COSMOS du télescope NASA/ESA Hubble afin de cartographier précisément la zone du ciel couverte par le relevé. Cette carte tridimensionnelle leur a permis de tester certains aspects de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Leurs résultats s'accordent avec l'hypothèse que la constante cosmologique, paramètre qui avait été postulé par Einstein dans ses équations, serait l'une des causes possibles de l'accélération de l'expansion de l'Univers. Ils vont être publiés en avril dans la revue Astronomy & Astrophysics.
Depuis les années 30, les astronomes ont acquis la conviction que seule une faible fraction de la masse contenue dans l'Univers est constituée de matière visible. Le reste serait une matière encore inconnue, la "matière noire", qui n'absorberait, ni n'émettrait de la lumière, mais qui interagirait néanmoins avec la matière classique à travers les interactions gravitationnelles. Ainsi, les galaxies ne seraient que la partie visible d'un iceberg constitué de matière noire. Comment faire pour observer cette matière invisible ? Les astronomes profitent l'effet de lentille gravitationnelle, prédit par la relativité générale d'Einstein. « Durant son voyage jusqu'à nous, la lumière émise par les galaxies distantes voit son trajet légèrement perturbé par l'influence de l'interaction gravitationnelle causée par la matière alentour, y compris bien sûr la matière noire. Cette perturbation déforme l'image des galaxies. Cette déformation peut être mesurée et utilisée pour reconstruire une carte des interactions gravitationnelles subies par la lumière sur son trajet, et donc de la matière située entre nous et la galaxie observée », explique Martin Kilbinger, chercheur à l'Institut d'astrophysique de Paris.

Cette étude repose sur les données collectées sur 446 000 galaxies observées dans le champ du relevé COSMOS. Il s'agit de la plus grande campagne d'observation jamais menée par les astronomes à l'aide du télescope Hubble. Ce relevé est constitué de l'assemblage de 575 prises de vues de la même zone du ciel, à l'aide de l'Advanced Camera for Survey (ACS), ce qui représente près de 1000 heures d'observation, soit 600 orbites du télescope. « Le nombre de galaxies observées est considérable, mais la quantité d'information de grande qualité que nous avons pu obtenir sur la partie invisible de l'Univers l'est encore plus », souligne Tim Schrabback qui a piloté ce travail. En complément des données recueillies par Hubble, les chercheurs ont aussi utilisé des données acquises à l'aide de télescopes au sol afin de mesurer finement la distance de 194 000 des galaxies étudiées. Grâce à ces mesures et à de nombreuses innovations sur le traitement des données, les chercheurs ont mesuré la déformation due aux effets de lentilles gravitationnelles. Ils sont parvenus à reconstruire une carte tridimensionnelle de toute la matière (y compris la matière noire) contenue dans la portion du ciel observé par Hubble. « Sur cette carte, nous voyons la distribution de matière évoluer dans le temps », précise William High de l'université d'Harvard. En effet, du fait de la vitesse finie de la lumière, les structures de la distribution de matière les plus lointaines sont aussi les plus anciennes, tandis que celles plus proches de nous correspondent à des structures plus contemporaines. C'est donc en comparant les structures lointaines et proches que les chercheurs ont pu mesurer l'effet de l'expansion sur la structuration de la matière dans l'Univers, et apporter une nouvelle preuve de l'accélération de cette expansion. Cette accélération, observée ces dernières années, est pour la première fois confirmée en utilisant l'effet de lentille gravitationnelle seul. Les chercheurs démontrent ainsi la validité et l'intérêt de cette méthode de reconstruction tomographique.

De manière plus générale, ce travail a permis aux chercheurs de tester deux concepts d'Einstein : la relativité générale et la constante cosmologique, que lui-même nommait sa "plus grande bêtise". Les résultats sont en accord avec ces deux concepts. Ils montrent que l'effet de lentille gravitationnelle évolue en fonction de la distance des galaxies exactement comme le prédit la relativité générale, et que la constante cosmologique ou bien sa généralisation souvent nommée "énergie sombre" sont très probablement la cause de l'accélération de l'expansion de l'Univers. « Einstein avait finalement peut-être raison d'introduire cette constante dans ces équations », conclut Tim Schrabback. 

La qualification statistique correcte de ce dernier résultat, indispensable pour valider l'étude, a été obtenue grâce à des méthodes d'exploration statistique développées au sein d'une collaboration soutenue par l'Agence nationale pour la recherche (projet ANR-ECOSSTAT) et le "Programme National Cosmologie et Galaxie" de l'INSU-CNRS, à laquelle participent notamment des chercheurs de l'Institut d'astrophysique de Paris et des mathématiciens français.

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