Des étoiles aux quasars : le programme de Gaïa

Cet article reprend une interview que j’ai donnée pour la revue « Une saison en Guyane », agrémentée de quelques images…

On parle d’un milliard d’étoiles cartographié par Gaïa, cela ne représente que 1% du nombre d’étoiles de la Voie lactée ? Ça paraît peu…

C’est la question qui vient lorsqu’on pense qu’il y a au moins 100 milliards d’étoiles dans la Voie lactée ! Mais 1 milliard c’est énorme pour nous. On a un échantillon extrêmement significatif tout simplement parce qu’on a une assez bonne idée de la structure de notre galaxie, donc l’échantillon est homogène. J’aime bien comparer la Voie lactée à une forêt pour décrire le travail de Gaïa, au lieu d’avoir des arbres vous avez des étoiles. Un botaniste qui rentre dans une forêt qu’il ne connaît pas trop  va observer les arbres à différents stades de leur évolution, des jeunes pousses, des arbres en pleine maturité, des arbres qui commencent à vieillir et des arbres morts. A partir de là il va reconstituer l’histoire individuelle des arbres, puis l’histoire de l’ensemble de la forêt grâce à cet échantillon significatif des arbres à tous les degrés de leurs existences.  Hé bien c’est un peu ça que va faire Gaïa avec ce milliard d’étoiles, en étudiant le spectre et les couleurs, les luminosités de ces étoiles, en déterminant quelles sont les étoiles adultes, quelles sont les vieilles étoiles, où et quand elles se sont formées. On va reconstituer  l’histoire entière de la Voie lactée.

 Ce 1 % est-il concentré dans une zone de la galaxie, ou va-t-il être prélevé  jusqu’aux extrémités de la galaxie ?

Il y a deux aspects : il y a l’astrométrie qui consiste à mesurer les distances avec les parallaxes. Ce système ne fonctionne que pour les étoiles relativement proches de l’environnement solaire. En revanche, le catalogage du milliard d’étoiles englobe à peu près toutes les régions de la galaxie, sauf évidemment celles qui sont obscurcies par les poussières galactiques.

Nébuleuse de la Flamme, région d'étoiles en formation dans la constellation d'Orion, à 1500 années-lumière. Photo ESO
Nébuleuse de la Flamme, région d’étoiles en formation dans la constellation d’Orion, à 1500 années-lumière. Photo ESO

En effet, nous sommes situés à l’intérieur de la Voie lactée, donc avec une vision partielle d’elle. Avec les résultats de Gaïa d’ici 2020, serons-nous en mesure de connaître le nombre de bras qu’elle possède ?

Je ne peux pas dire si ce sera en 2020, mais oui, grâce à la cartographie tridimensionnelle il sera possible de confirmer l’existence d’une barre centrale par exemple. Vous savez que les galaxies purement spirales n’ont pas de barre centrale, mais depuis plusieurs années, on soupçonne que la Voie lactée n’est pas galaxie spirale parfaite, mais une spirale barrée.

La galaxie spirale NGC 1232, située à 100 millions d'années-lumière. Les régions centrales contiennent de vieilles étoiles de couleur rouge, tandis que les bras spiraux sont peuplés de jeunes étoiles bleues et de nébuleuses de gaz.
La galaxie spirale NGC 1232, située à 100 millions d’années-lumière. Les régions centrales contiennent de vieilles étoiles de couleur rouge, tandis que les bras spiraux sont peuplés de jeunes étoiles bleues et de nébuleuses de gaz.

 On parle du début de l’archéologie galactique grâce à Gaïa, pouvez-vous nous en dire plus ?

L’histoire des galaxies ne dépend pas uniquement de leur histoire individuelle. La plupart appartiennent à des amas de galaxies et il y a une certaine interaction entre elles, car elles sont assez serrées dans leur amas pour se frôler,  se croiser, s’interpénétrer. La vie d’une galaxie dépend aussi des interactions qu’elle a eues dans le passé.  Notre galaxie a déjà absorbé des petites galaxies satellites et Gaïa va pouvoir détecter les vastes courants d’étoiles résiduelles de ces anciennes interactions.

La quantité d’informations apportées par Gaïa va permettre d’affiner les modèles, voire d’en éliminer certains. L’astronomie, c’est effectivement de l’archéologie puisqu’on remonte toujours dans le passé des objets que l’on étudie. Au-delà de la cartographie, c’est peut-être sans doute l’aspect le plus fascinant de cette entreprise qu’est Gaïa, observer un univers qui bouge et qui évolue constamment.

La Voie lactée absorbe-t-elle d’autres galaxies ?

Notre galaxie est actuellement entourée d’un cortège de petites galaxies satellites, dont les fameux Nuages de Magellan. On sait déjà qu’il y a eu des interactions, car on observe ce que l’on appelle le courant magellanique, vaste courant d’ étoiles qui se détachent de la Voie lactée jusqu’au Grand Nuage de Magellan. Les Nuages de Magellan sont deux petites galaxies naines qui sont des satellites tournant autour de la Voie lactée. La galaxie d’Andromède est une galaxie spirale plus volumineuse, actuellement située à 2 millions d’années-lumière. On sait justement que la Voie lactée et Andromède se rapproche l’une de l’autre à une vitesse de cinq cents kilomètres par seconde, elles tombent littéralement l’une sur l’autre, et dans quatre à cinq milliards d’années elles entreront en interaction.

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Une équipe internationale d’astronomes a découvert, grâce au Very Large Telescope de l’ESO (Chili), un cas rare de fusion entre trois galaxies. Ils l’ont surnommé « L’Oiseau ».

Allons-nous observer plus de supernovas grâce à Gaïa ?

Nous n’avons plus vu de supernovas dans notre galaxie depuis 400 ans, la dernière a été observée en 1604 – notamment par le grand Kepler. Il n’y a pas plus de deux à trois supernovas par siècle dans la galaxie. En plus, celles qui explosent dans notre galaxie sont des étoiles massives, situées dans le disque et obscurcies par les poussières. Les supernovas monitorées par Gaïa sont donc des supernovas extérieures, cela appartient à la partie extragalactique du programme.

Aujourd’hui on voit un feu d’artifice de  supernovas chaque année, peut-être 30 ou 40 qui explosent dans toutes les régions de l’univers, puisque quand une supernova explose elle devient aussi brillante que des galaxies entières. On les détecte donc jusqu’aux confins de l’univers. C’est d’ailleurs grâce aux supernovas très lointaines observées assidument depuis quelques années, qu’on a découvert quelque chose de fondamental et qui pose beaucoup de questions : l’accélération de l’expansion de l’univers.  On a cru longtemps que la vitesse d’expansion ralentissait et que l’univers était voué à terme à se contracter. Depuis dix ans, on sait qu’au contraire l’expansion s’accélère, et qu’il existerait alors des formes de matière et d’énergie noire encore mal connues.

Justement, quelles peuvent être les répercussions de Gaïa en cosmologie ?

Gaïa  n’est pas au départ un télescope de cosmologie, mais indirectement, oui. Mis à part des étoiles, la galaxie est constituée de nuages de gaz et de ce que l’on appelle la matière noire. On sait très bien que la matière lumineuse représente un cent au maximum de ce qu’il y a réellement. Et donc en analysant, grâce à Gaïa, non seulement le positionnement mais surtout la dynamique de la partie visible, nous pourrons en déduire ce qu’il y a derrière. Outre les 100 milliards d’étoiles de la galaxie qui sont potentiellement lumineuses, il y a une ou plusieurs composantes de matière noire dix à cinquante fois fois plus massive. C’est quoi cette matière noire ? Est-ce que ce sont de petites étoiles que l’on appelle des naines brunes ? Des étoiles mortes, de grands nuages d’hydrogène froid, des planètes ou des objets naturels connus ? Ou encore des particules qui sont prédites par des théories de physique des hautes énergies que nous n’avons jamais encore détectées directement, mais qui pourraient se manifester justement dans ces observations-là ?

La matière noire est située dans la galaxie ou plutôt entre les galaxies ?

En fait la matière noire, il y en a un petit peu partout. Mais il y a une forme de matière noire qui est plutôt concentrée dans les galaxies, et il y a une autre forme de matière noire que l’on appelle l’énergie sombre, qui elle est diffuse dans tout l’espace et en particulier entre les galaxies. Mais l’énergie sombre ne fait pas partie des objectifs de Gaïa. C’est déjà pas mal de monitorer la matière visible et d’en déduire la matière noire ordinaire !

Gaïa va aussi repérer les astéroïdes géocroiseurs, non ?

Oui,  j’ai récemment publié un livre sur ces fameux astéroïdes géocroiseurs (« Astéroïdes : la terre en danger » éd. Le cherche midi, 2013) qui sont potentiellement dangereux. C’est un des importants objectifs de Gaïa, puisqu’il y a toute une catégorie d’astéroïdes qui ont des orbites dirigées vers le soleil, et les réseaux de surveillance au sol ne peuvent pas les voir. Gaïa, grâce à son positionnement au point de Lagrange n°2, va sans doute pouvoir détecter des centaines, voir peut-être des milliers de nouveaux astéroïdes géocroiseurs. On pense connaître aujourd’hui plus de 90% des astéroïdes relativement gros, c’est-à-dire à partir d’un kilomètre de diamètre, qui pourraient éventuellement faire de très gros dégâts. Espérons qu’il n’y ait pas de mauvaises surprises !

Et en ce qui concerne les exoplanètes potentiellement découvertes par Gaïa, pourrait-on trouver des traces de vies dans la galaxie ?

Il faudra attendre d’autres outils pour savoir ça, comme le programme DARWIN initialement prévu à l’horizon 202, hélas (provisoirement ?) abandonné par les agences spatiales. Ce projet consistait à détecter par la spectroscopie la combinaison de dioxyde de carbone (CO2), de vapeur d’eau (H2O) et surtout de dioxygène (O2) et d’ozone (O3) dans l’atmosphère des exoplanètes. Les exobiologistes ont montré que c’est une signature du vivant : si vous avez de l’ozone dans l’atmosphère,  cela signifie qu’il existe une couche vivante à la surface qui interagit avec l’atmosphère. Cela dit, ce n’est pas parce que l’on ne détecte pas d’ozone que l’on peut conclure qu’il n’y a pas de vie. Par exemple, si des astronomes extraterrestres du passé avaient observé la Terre pendant ses deux premiers milliards d’années d’existence, ils n’auraient vu aucune signature dans l’atmosphère, et pourtant la vie existait déjà dans le fond des océans.

Vue d'artiste de l'exoplanète Corot-7b, une planète rocheuse sur laquelle règnent des conditions extrêmes : elle gravite si près de son étoile que la température de sa face éclairée monte à 2000 °C. Sa surface pourrait donc être recouverte de lave en fusion.
Vue d’artiste de l’exoplanète Corot-7b, une planète rocheuse sur laquelle règnent des conditions extrêmes : elle gravite si près de son étoile que la température de sa face éclairée monte à 2000 °C. Sa surface pourrait donc être recouverte de lave en fusion.

On parle aussi de localiser des quasars grâce à Gaia ?

Les quasars sont des noyaux de galaxie extrêmement brillants. Ils sont souvent alimentés en énergie par un trou noir gigantesque, au moins 100 millions de fois la masse du soleil. Cela correspond aux premières phases de la vie de ces galaxies, les quasars ont commencé à s’allumer très tôt, moins d’un milliards d’année après le Big Bang. Ils sont en général éloignés dans l’espace, ce qui permet de remonter loin dans l’histoire de l’Univers, et aussi de les utiliser comme référentiels. Gaïa va positionner 500 000 nouveaux quasars, permettant ainsi d’améliorer considérablement notre système de coordonnées spatiales.

Vous avez étudié les trous noirs, sait-on plus de choses sur le trou noir central de la Voie lactée ? Gaïa va-t-il nous aider à comprendre ?

On sait beaucoup de choses, car il y a eu des progrès extraordinaires depuis une vingtaine d’années. Dans les années 1980 on soupçonnait l’existence d’un trou noir central pour des raisons théoriques, puis on a commencé à acquérir des indices expérimentaux dans les années 1990. Les télescopes à infrarouge ont commencé à voir des étoiles proches du centre galactique, et on s’est aperçu qu’elles tournaient anormalement vite autour d’un centre de gravité où l’on ne voyait rien. On a alors commencé à  supputer qu’il y avait une masse invisible sous la forme d’un trou noir géant. C’est en reconstituant le mouvement des étoiles et leur dynamique qu’on a déduit la masse du trou noir, le Sagittarius A* avec 3,5 millions de masses solaires. Aujourd’hui, on a des projets futurs, des téléscopes à très haute résolution angulaire dans l’infrarouge, qui n’est pas dans le domaine optique de Gaïa.

Chaque galaxie possède-t-elle un trou noir central ? Pourquoi la galaxie n’est elle pas aspirée par son propre trou noir géant ?

On pense que, mis à part quelques petites galaxies irrégulières ou naines comme les nuages de Magellan, chaque galaxie possède un trou noir géant en son centre. Il y a aussi plein de petits trous noirs qui se forment suite aux explosions des supernovas situées dans les bras de galaxies. Le trou noir géant de la Voie lactée peut paraître énorme avec 3,5 millions de fois la masse du soleil, mais il reste relativement modeste par rapport à ce que l’on trouve ailleurs dans des galaxies plus lointaines ! Et il possède un rayon d’action limité ; ce n’est pas « l’ogre cosmique » souvent présenté dans la vulgarisation, voué à aspirer tous les corps se trouvant à proximité. Il y a pas mal d’étoiles qui tournent autour du trou noir galactique, elles sont accélérées par lui mais elles ne sont pas avalées, elles ont des orbites bien sages. Mais ailleurs dans l’univers, on observe des galaxies qui sont englouties par leur trou noir central. L’un d’eux a été détecté récemment dans une petite galaxie naine, et bat un record de masse avec 17 milliards de fois la masse du soleil.

Image composite de la galaxie Centaurus A. Les jets émanent du centre actif de la galaxie, qui abrite un trou noir géant.
Image composite de la galaxie Centaurus A. Les jets émanent du centre actif de la galaxie, qui abrite un trou noir géant.

Quoi qu’il en soit, je garderai un souvenir inoubliable du décollage de la fusée Soyuz porteuse de Gaïa, symbole de la puissance du feu capable de s’arracher à  l’attraction terrestre. Et cette « graine d’intelligence » déposée dans l’espace n’est autre que l’un des plus extraordinaires télescopes jamais conçus, portant le nom de la « déesse mère » dans la mythologie grecque.

Une réflexion sur “ Des étoiles aux quasars : le programme de Gaïa ”

  1. Si l’univers est en expansion, avec une origine, tous ses objets étaient-ils plus proches que maintenant les uns des autres, peu de temps après sa naissance ? Puisque ces régions de l’univers qui les contiennent s’éloignent, elles n’ont jamais cessé de se signaler à notre région par un flux de lumière à vitesse finie, et nous à elles. Donc la limite de l’univers observable est-elle la limite physique de l’univers ? Car si la vitesse d’expansion est inférieur à la vitesse de la lumière, on devrait tout voir de ce qui existe et brille, si tout à une origine petite et circonscrite. Ou alors la vitesse d’expansion est devenu plus grande que la lumière ? ou alors ce lieu petit du départ qui par définition n’est contenu dans rien, présente-t-il entre ces régions une distance énorme, ou alors la vitesse de la lumière était plus lente au début ?
    Ces quelques réflexions éparses pour lesquelles je serai curieux d’avoir des réponses…

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