Les sursauts-radios-rapides ne nous apportent pas de message des petits-hommes-verts, ils nous ouvrent une nouvelle fenêtre sur l’Univers

Ces dernières semaines une nouvelle concernant l’astronomie a largement circulé dans les médias, celle de la réception par les « grandes oreilles » de nos observatoires, de « sursauts-radio-rapides » ou « FRB » (« Fast Radio Burst »). Comme à l’accoutumé quand une nouvelle concerne l’espace, beaucoup de Terriens restés fortement anthropocentrés, ont voulu y voir des messages que s’échangeraient entre elles d’autres civilisations, évidemment supérieures mais quand même comparables à la nôtre. Il n’en est rien mais ces émissions perçues depuis peu (la première observation, par David Narkevic* date de 2007) et toujours mal expliquées le sont maintenant un peu plus et elles sont fort intéressantes en elles-mêmes et utiles pour comprendre notre Univers. De quoi s’agit-il ?

*David Narkevic était membre de l’équipe dirigée par Duncan Lorimer, professeur de physique et d’astronomie au Centre des ondes gravitationnelles et de cosmologie de l’Université de Virginie Occidentale. Les FRB sont aussi appelés « sursauts Lorimer ».

La petite centaine de FRB répertoriés à ce jour sont des émissions photoniques dans des longueurs d’ondes radio du spectre électromagnétique. Ils ne durent que quelques millisecondes. Il faut bien avoir conscience que les FRB ne sont pas les seuls événements dont l’existence nous est signifiée par un message cosmique très bref. Nous recevons en effet des signaux tout aussi furtifs sous forme d’autres rayonnements qui sont soit dans d’autres longueurs d’ondes du spectre électromagnétique (rayons X, rayons gamma, flash lumineux), soit émis par d’autres « messagers » (neutrinos, ondes gravitationnelles, rayons cosmiques et notamment particules à très haute énergie). Par chance, contrairement à d’autres rayonnements électromagnétiques de longueurs d’ondes plus courtes ou plus longues, ceux qui nous intéressent ici, les SHF (pour « Supra-Haute Fréquence », longueurs d’ondes allant d’environ 0,8 à 10 cm et de fréquences allant d’environ 1 à 30 gigahertz), parviennent jusqu’à la surface de la Terre sans trop de distorsions (mais elle sont très utilisées par l’homme ce qui peut les brouiller !). La durée d’un FRB est probablement fonction de la surface de la source. Celle du premier (FRB121102, observé par David Narkevic), qui a duré 10 millisecondes, indique que la source était toute petite, seulement 3000 km de diamètre, donc très puissante. Ce FRB comme les suivants, était par ailleurs caractérisé par une forte dispersion, c’est-à-dire un fort décalage temporel des diverses fréquences constituant le rayonnement, et une certaine torsion des rayonnements. Une émission n’est en effet évidemment pas constituée d’une seule fréquence et plus faible est la fréquence (longueur d’ondes élevée), plus les ondes porteuses de la fréquence peuvent être ralenties par le milieu spatial s’il y a « quelque chose » dans ce milieu spatial. Or, précisément, le « vide » comprend (entre autres, sans prendre en considération les particules virtuelles ou la matière noire, toujours hypothétique) des électrons libres et des noyaux d’atomes divers, à commencer par des protons, tous éléments ionisés qui se comportent comme un plasma du fait de la vitesse du rayonnement (la densité est accentuée par la quasi simultanéité des « rencontres » du fait de la vitesse et malgré la rareté). La dispersion et la torsion sont donc des indicateurs de la distance et une forte dispersion et torsion, indiquent une origine lointaine. Compte tenu du « redshift » (effet Doppler-Fizeau) du spectre des rayonnements reçus on a pu estimer les sources de FRB identifiées à plusieurs milliards d’années-lumière.

Le fait que nous n’ayons remarqué à ce jour que peu de FRB ne veut pas dire qu’ils ne soient pas fréquents (on les estime à un millier par jour). Il faut plutôt envisager que nous n’avions pas jusqu’à présent les moyens techniques de les percevoir. Il faut en effet disposer d’un récepteur d’ondes radio focalisé sur le point du ciel d’où ils proviennent, précisément au moment où ils arrivent sur Terre (un large champ est évidemment utile pour ne pas « manquer » le signal), et collecter en même temps un autre message (ou après avoir collecté suffisamment d’informations lors de la première observation) de la même source (lumineux si possible) pour croiser l’information. Dans le cas du FRB190523 l’étude a pu être poursuivie par l’instrument LRIS (Low Resolution Imaging Spectrometer) de l’Observatoire Keck. Le récepteur focalisé ce sont les systèmes radio interférométriques comme celui de l’ASKAP en Australie (« Australian Square Kilometer Array Pathfinder »), dispositif comprenant 36 antennes ou le « DSA-10 » d’« OVRO » (« Deep Synoptic Array prototype » de l’« Owen Valley Radio Observatory », en Californie) qui est dédié à cette recherche mais ne dispose actuellement encore que de 10 antennes ou aussi le télescope CHIME, du Canada, très particulier, dont je vous parlerai bientôt. C’est avec le DSA-110 que l’on a perçu tout récemment le dernier FRB (FRB190523, cf la revue Nature du 2 Juillet 2019). NB : le prototype, opérationnel depuis juin 2017, sera étendu à un dispositif de 110 antennes (« DSA 110 ») d’ici à deux ans et un jour peut-être à un DSA-2000. Selon Vikram Ravi (Caltech/UC Berkeley) le découvreur de ce dernier FRB, la puissance de résolution doit atteindre l’équivalent d’une antenne physique d’un diamètre de 1609 mètres (un mile) pour être efficace (il faut donc un minimum d’antennes et si on dispose de plus, c’est mieux). Tous ces systèmes interférométriques (y compris ALMA qui est utilisé plutôt dans les longueurs d’ondes millimétriques) sont relativement nouveaux car leur développement suppose une puissance informatique qui émerge actuellement et il faut aussi que les systèmes soient attentifs et immédiatement réactifs à des événements très discrets.

On parvient donc à capter de plus en plus de ces FRB mais on a encore beaucoup de mal à identifier leurs sources (la précision de la position requise est de l’ordre du 1/1000 de degré sur la voûte céleste). En fait on n’a pu le faire que trois fois (pour les FRB121102, FRB 180924 et FRB190523). FRB 121102 est une galaxie petite et active (qualifié de telle pour sa production abondante d’étoiles) située à 3 milliards d’années-lumière ; FRB 180924 est une galaxie « grosse et calme » à 4 milliards d’années-lumière; FRB 190523 une autre galaxie « grosse et calme » située à 7,9 milliards d’années-lumière. Ce qui a justifié l’émoi médiatique récent c’est que précisément on a pu, grâce à l’ASKAP, identifier la source de FRB180924, ce qui a donné lieu à un beau « document de recherche » (« research paper », voir lien ci-dessous) de K.W Bannister et al. (Australie). Il a été suivi une semaine après, par un autre document (voir lien ci-dessous) de Vikram Ravi et al. qui propose également une source pour FRB190523 (observée le 13 mai 2019). Pour comprendre un signal la connaissance et donc d’abord le repérage de la source est essentiel. Ce qui est remarquable et « ouvre des horizons », c’est que FRB180924 et FRB190523 sont des événements uniques (ils ne se sont exprimés qu’une seule fois) alors que le FRB121102 est une multiplicité d’événements provenant d’une même source, c’est-à-dire que la même source a émis plusieurs fois un signal (mais de façon non périodique). Cette différence sous-entend que les causes des FRB pourraient entrer dans des catégories différentes. Les restes extrêmement condensés de supernovæ sont de bons candidats pour les FRB multiples (FRB121102, plus petite que la Voie-Lactée produit plus d’étoiles qu’elle). Pour les FRB uniques, il semble que les galaxies sources soient beaucoup plus massives, et peu actives. Une explication réconciliant les deux serait dans les deux cas des étoiles à neutrons mais dans des environnements différents : l’effondrement récent d’une étoile massive qui donne un magnétar (éruption de plasma d’une étoile à neutrons jeune et hautement magnétique) ou deux étoiles à neutrons anciennes dans un système binaire quand la distance orbital entre elles se réduit.

L’intérêt de ces signaux comme le disent K.W Banister et al. c’est aussi (surtout ?) qu’ils peuvent nous permettre du fait de leur dispersion et de leur torsion, d’être informés des milieux qu’ils traversent. Un des grands problèmes de la cosmologie actuelle c’est en effet que la matière baryonique ne constitue que 4% de l’énergie que comprend l’univers et que seulement 10% en est fourni par les gaz froids et les étoiles des galaxies. On cherche le « reste », des atomes de métal mélangés à l’hydrogène et à l’hélium résultat de l’explosion d’étoiles ou de noyaux galactiques actifs. Une partie (30%?), le « CGM », « Circum-Galactic Medium » doit être un plasma diffus autour des galaxies (leur “halo”) et une autre partie (60%?), l’« IGM », « Medium Intergalactique », doit flotter entre les galaxies. Par ailleurs la magnétisation même faible mais sur une très longue durée provoque une torsion (« effet Faraday ») des différentes fréquences du rayonnement et cela aussi est porteur d’informations. Les flashs radios que nous recevons d’un peu partout dans l’univers pourront donc nous renseigner sur la densité et la magnétisation de ce plasma et « rien que » cela apporterait une pièce importante au puzzle que nous essayons d’assembler.

La « science des FRB » est donc une discipline nouvelle. Il faudra pour mieux les connaître disposer de beaucoup plus d’observations (une centaine d’observations dont 3 identifications, ce n’est vraiment pas beaucoup !). Lorsqu’on aura ces observations on pourra mieux connaître les étoiles à neutrons mais on pourra aussi affiner la carte en 3D de la répartition des masses dans l’univers donc approcher de la compréhension de l’ensemble du système. Pour y parvenir, il y a déjà une capacité installée mais elle va s’étendre considérablement: le DSA-10 couvre 150 fois la surface de la Lune vue de la Terre et l’observatoire CHIME couvre un champ de vision instantané de 200° carré de la voûte céleste. Mais bientôt le DSA-110 puis le DSA-2000, tout comme le SKA, (Square Kilometer Array) successeur de l’ASKAP (ou plutôt qui intégrera l’ASKAP dans un ensemble mondial), donneront aux astronomes des capacités fantastiques par rapport à celles qui existent aujourd’hui.

De nos jours, il se passe toujours quelque chose de formidable en astronomie et l’ouverture d’une nouvelle fenêtre d’observations sur l’Univers vaut mieux que le bavardage insipide autour d’improbables petits hommes verts qui restent toujours un fantasme !

Image de titre : crédit Jingchuan Yu, Planétarium de Pékin. Les couleurs représentent le sursaut arrivant à différentes longueurs d’ondes (les plus longues, en rouge, arrivant plusieurs secondes après les plus courtes, bleues) en raison de la « dispersion » résultant de leur voyage au travers du plasma intergalactique. Vous remarquerez également la faible “torsion” (rotation) des rayonnements.

Image ci-dessous : Le prototype du Deep Synoptic Array (DSA-10) recherche les FRB dans une région de la voûte céleste de la taille de 150 fois la Lune (à gauche). Le DSA-10 peut localiser ces FRB avec une très haute résolution, les isolant jusqu’à une seule galaxie (au milieu). La photo à droite montre le profil du FRB, au-dessus de son spectre radio. Crédit : Caltech/OVRO/V.Ravi.

Liens:

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02400-2

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1389-7

https://public.nrao.edu/news/2015-gbt-frb/#PRimageSelected

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Index L’appel de Mars 19 08 18

La forêt amazonienne brûle et le président Bolsonaro s’en moque. Il faut l’arrêter, par tous les moyens !

Comme mes lecteurs le savent je suis opposé à l’extrémisme écologique et à ses excès mais quand il y a véritable urgence je le dis et je veux ici le crier aux Brésiliens : arrêter d’incendier la forêt tropicale ! Quelles que soient vos motivations, arrêtez-vous, arrêtez-vous tout de suite ! Nous n’avons pas à vous supplier, nous l’exigeons. Et si vous n’arrêtez pas, plus un seul des consommateurs de l’Europe et de l’Amérique du Nord n’achètera de vos produits car non seulement nous vous boycotterons mais nous boycotterons aussi les entreprises qui voudraient continuer à les acheter.

Ce que commet ou laisse commettre (ce qui revient au même) ce gouvernement Bolsonaro que vous avez élu c’est, au-delà d’être un crime contre l’humanité, un crime contre la vie même puisque non seulement l’homme est menacé mais aussi des milliers d’espèces vivantes avec lui. C’est notre planète, notre bien commun, auquel vous portez atteinte et cela est totalement inacceptable.

La forêt amazonienne, pas plus que l’Océan ou les glaces de l’Antarctique, n’appartient à quiconque. Ce n’est pas parce qu’un pape ignorant a décrété en juin 1494 que ce qui est aujourd’hui la terre brésilienne, appartiendrait au Portugal que ce pays ou son successeur le Brésil ont un droit de mort sur la forêt. Alexandre VI Borgia n’avait évidemment aucune notion d’écologie, ni d’ailleurs aucune moralité. Il « ne savait pas ce qu’il faisait » sur le plan de l’environnement mais néanmoins coupable de crime colonialiste (et d’autres), il est aujourd’hui très certainement en enfer (si l’enfer existe). Le président Bolsonaro, lui, sait qu’il laisse commettre un crime écologique d’une ampleur inégalée et il devrait réaliser qu’il prépare un enfer bien réel sur Terre pour tous ses contemporains. Nous refusons d’être les victimes de sa bêtise et de son arrogance.

L’état de fait, reconnu aujourd’hui par la communauté internationale, c’est que le Brésil a juridiction sur la plus grande partie de la forêt amazonienne mais ce n’est qu’un état de fait. L’emprise que le gouvernement brésilien a sur ce territoire, n’est justifiée par rien d’autre que cet état de fait et il n’y a aucune raison qu’elle se perpétue dès lors qu’il n’en a plus la légitimité. Le droit d’abusus n’existe plus depuis très longtemps sur ce type de biens communs. Etant donné le traitement infligé à cette forêt par cette administration, il est du devoir des dirigeants des pays « civilisés » d’intervenir et de remettre ce qu’il en reste entre des mains respectueuses de sa richesse biologique. Ce pourrait être simplement une fédération des tribus indiennes qui l’habitent, sous protection d’une institution internationale dotée des moyens de défense appropriés contre les voisins prédateurs. Cette institution internationale devrait naturellement dépendre des Nations Unies.

Alors, sommes-nous loin de l’exploration spatiale ?

Non, car ce que nous enseigne la connaissance de l’Univers c’est combien notre petit point bleu perdu dans l’immensité est riche de ses particularités probablement extrêmement rares, qu’il est peut-être unique et qu’il est à ce titre infiniment précieux. Nous les êtres humains, infimes produits de cette Terre et du Soleil, portés par l’évolution de la vie pendant des milliards d’années, à partir de rien jusqu’à émerger à la conscience aux termes d’une histoire de complexifications inouïes, impossibles à reproduire, nous avons un devoir, celui d’être dignes de cette histoire unique et de la transmettre à nos descendants pour qu’elle dure sur cette Terre et sur d’autres, aussi longtemps que dureront les étoiles dans le ciel. Nous sommes tous ensemble sur le même bateau et si le capitaine devient fou il n’a plus le droit d’exercer le pouvoir qui lui a été confié. C’est bien sûr aux Brésiliens de se révolter mais à défaut, c’est aux autres peuples du monde, par nécessité vitale, de saisir et mettre à fond de cale de notre vaisseau spatial le criminel qui les dirige.

D’autres gouvernements de pays équatoriaux autour du globe devraient aussi se sentir visés !

Image de titre: Fumées des feux de forêt d’Amazonie vues de l’espace, crédit NASA Worldview, Earth Observing System Data and Information System (EOSDIS).

Image ci-dessous: même phénomène au sol. L’image même de l’injustifiable, de l’horreur et de l’inacceptable!

La sonde Parker de la NASA observe la fournaise solaire à une distance jamais approchée

Le 1er septembre, la sonde Parker (« Parker Solar Probe », «PSP») approchera du Soleil à une distance jamais atteinte* par aucun instrument actif d’observation construit par l’homme. Ce n’est pas seulement un exploit technique, c’est aussi la promesse d’une avancée capitale de nos connaissances dans un domaine scientifique essentiel à notre survie et à notre action dans l’univers.

*voir en fin d’article l’illustration présentant les orbites prévues et l’abaissement progressif du périhélie.

La NASA a lancé la sonde le 12 août 2018, en présence de l’homme dont elle porte le nom, Eugene Parker, astrophysicien, spécialiste du Soleil. C’est la première fois qu’elle donne à une de ses sondes ou satellites le nom d’une personne encore vivante (Eugene Parker est né en 1927). C’est un magnifique hommage à une personne exceptionnelle car Eugene Parker a été un pionnier et, comme souvent, assez mal reçu par ses pairs (il n’a été publié que grâce à l’intervention de Subrahmanyan Chandrasekhar!). La raison de cet hommage est que c’est au milieu des années 1950 qu’Eugene Parker a en effet déduit de ses recherches théoriques, dénigrées à l’époque, l’existence d’un « vent solaire », d’une magnétosphère propre à l’astre et de sa forme (devenue « spirale de Parker »). Plus tard, en 1987, il a proposé une explication, acceptée largement aujourd’hui, de l’origine de la couronne solaire, les nano-éruptions (« nanoflares »).

Les objectifs scientifiques de la mission actuelle sont donc, naturellement, de vérifier la théorie et d’aller plus loin. Il s’agit plus précisément de :

-déterminer la structure et l’évolution des champs magnétiques à l’origine de la projection des particules du vent solaire (un plasma constitué de protons c’est-à-dire de noyaux d’hydrogène ionisés, et d’électrons) ;

-tracer les flux d’énergies provenant de la chromosphère pour comprendre le réchauffement de la couronne jusqu’à plusieurs millions de degrés alors que la température de surface évolue entre 4000 et 6000°K ;

-déterminer le processus à l’origine de l’accélération dans la couronne du transport des particules du vent solaire (NB : il passe dans l’environnement terrestre à une vitesse de 500 km/s) ;

-d’étudier autant que possible une étoile assez banale, relativement peu massive et située au milieu de la séquence principale de Hertzsprung-Russell, le Soleil étant la seule que l’on puisse approcher d’aussi près.

Pour atteindre ces objectifs, la sonde Parker dont le coordinateur de réalisation, opérateur de mission et utilisateur principal des données est le John Hopkins University Applied Physics Laboratory (responsable scientifique Arik Posner), a embarqué quatre « suites » d’instruments nommées SWEAP, ISIS, WISPR, FIELDS. Voyons leurs fonctions :

SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation) aura pour but de compter les différents éléments du vent solaire et de mesurer leurs propriétés (vitesse, densité, température). L’instrument est en deux parties, complémentaires, la Solar Probe Cup, « SPC », un collecteur placé dans le cône tronqué derrière le bouclier thermique et le Solar Probe Analyser, « SPAN », placé dans la partie haute du cylindre de la sonde. Il a été développé par l’Université du Michigan avec le concours du Smithonian Astrophysical Observatory (Cambridge, Mass.) et de l’Université de Californie, Berkeley.

ISIS (Integrated Science Investigation of the Sun) observera les électrons, protons et ions lourds accélérés à des énergies élevées (10 KeV à 100 MeV) dans l’atmosphère coronale et les mettra en rapport avec le vent solaire et les structures coronales. L’instrument se trouve dans la partie haute du cylindre de la sonde, avant SWEAP-SPAN. Il a été développé principalement par l’Université Princeton.

WISPR (Wide Field Imagers for Solar Probe) est un groupe de télescopes qui prendront des photos de la couronne solaire et de la naissance de l’héliosphère pour capter tout événement, structure, dépôt, impact à l’approche et au passage de la sonde. L’instrument se trouve dans le bas du cylindre de la sonde, après SWEAP-SPC. Il a été développé par le Naval Research Laboratory.

FIELDS (Fields Experiment) effectuera des mesures directes des champs et ondes électriques et magnétiques, des flux de Poynting (qui indiquent la direction de propagation des ondes électromagnétiques), de la densité du plasma et des fluctuations de densité. L’instrument qui comprend plusieurs type de magnétomètres, se trouve sur la perche dans la queue de la sonde. Il a été développé par l’Université de Berkeley.

Compte tenu de ce qu’elle doit approcher au plus près de la Couronne, la difficulté majeure de la mission est de protéger efficacement la sonde de la chaleur. La Couronne à une forme variable en fonction des changements largement imprévisibles dans la configuration des lignes de champ magnétique. Elle peut s’étendre au-delà d’une dizaine de rayons solaires (Mercure évolue à 88 rayons solaires en moyenne) et sa température peut monter jusqu’à plusieurs millions de degrés (mais attention, la densité du plasma au contact serait très faible et donc l’effet chaleur réduit). Or la sonde Parker prévoit plusieurs passages au périhélie à 9,86 rayons solaires seulement. On a donc prévu une protection thermique extraordinaire, la « TPS » (Thermal Protection System). C’est un bouclier de 11,43cm d’épaisseur et 2,3 mètres de diamètre (permettant d’éviter que les émissions solaires atteignent directement les instruments et les équipements embarqués, sauf lors des prise de données) constitué de mousse de carbone enveloppée dans un composite carbone-carbone et recouvert, côté Soleil, d’une couche d’alumine. La sonde est aussi équipée d’un liquide refroidissant (de l’eau sous pression !). Cela permet de maintenir les instruments et les équipements à l’intérieur de la sonde à une température maximum de seulement 29°C lorsque la face vers le Soleil est portée à 1400°K (1126°C). Ses concepteurs ont prévu que la sonde puisse résister à des températures de 1650°C. Bien sûr il faut espérer éviter qu’elle se trouve prise dans les éjections d’une éruption solaire assez dense (une “CME” pour “Coronal Mass Ejection”) mais une partie de la solution est aussi la réduction du temps de passage dans l’enfer (la durée maximum de « séjour » à moins de 0,3 UA est de 110 heures). Par ailleurs l’architecture de vol est prévu pour que le bouclier fasse constamment face au disque solaire (les variations d’orientation doivent être inférieures à un degré) et en dessous de 0,1 UA (un tiers de la distance de Mercure au Soleil qui est à 88 rayons solaires du Soleil) les organes de prise de données sont exposés au minimum avec possibilité de les abriter à l’intérieur de la sonde lorsqu’ils ne sont pas utilisés. Les deux panneaux solaires, d’une surface totale de 1,55 m2 (la lumière est la source d’énergie de la sonde), sont rétractables et placés dans l’ombre du bouclier à l’approche du Soleil.

La mission a été prévue en fonction de ces exigences d’approche autant que possible et de protection autant que nécessaire. La maturation a été longue comme la plupart des missions spatiales. Elle a été prise en considération dès 1958 par le National Research Council mais elle n’est devenue une priorité forte qu’en 2003, pour être logée dans le programme « Living with a Star » de la NASA (la “star” c’est évidemment notre Soleil!). La première version, « Polar Solar Probe » en 2004 prévoyait de descendre jusqu’à 4 rayons solaires ; elle fut abandonnée car estimée trop chère (devisée à 1,1 milliards de dollars, hors lancement). Outre son ambition concernant l’approche, l’intérêt était d’observer la région des pôles du Soleil, ce qui aurait donné un point de vue utile du champs magnétique. Le nouveau projet, l’actuelle mission PSP, a été étudiée à partir de 2008. Cette fois-ci les chiffres ont été jugés plus acceptables et ils ont été effectivement acceptés, en 2014 : 750 millions plus 530 millions pour les études préliminaires, le lancement et la gestion opérationnelle. A noter, ce qui est rare, que la mission est quasi exclusivement américaine.

Le principe est de faire décrire à la sonde des orbites en ellipses dans le plan de l’écliptique, allant de l’orbite de Vénus à la face opposée du Soleil, en les resserrant progressivement en utilisant la planète Vénus pour la freiner (sept survols) et pour qu’elle puisse ainsi descendre plus profondément vers le Soleil. Au total, entre 2018 et 2025 la sonde doit décrire 24 ellipses tendant vers 88 jours chacune (seuls les dernières, plus courtes) et les 24 périhélies (passage au plus près du Soleil) doivent s’effectuer à moins de 0,17 UA (25 millions de km) de ce dernier dont 3 passages à 0,045 UA soit 9,68 rayons solaires ou 6,16 millions de km seulement. Il fera chaud ! Outre la chaleur un second problème est la vitesse de la sonde qu’il faut combiner avec la force d’attraction solaire. La sonde est arrivée à grande vitesse dans l’environnement de Vénus (nécessaire pour rejoindre la planète). Le second étage du lanceur Delta IV Heavy utilisé à cet effet est particulièrement puissant puisqu’il a donné au vaisseau spatial de 685 kg une vitesse de 12,4 km/s en plus de la vitesse de libération de 11,2 km/s. Le passage au périhélie est moins rapide (195 km/s au lieu de 308 km/s) pour la sonde Parker que pour la PSP ce qui permet de collecter plus de données (celles-ci sont bien entendu stockées dans la région du périhélie et diffusées vers la Terre – « science data downlink periods » – dès que la sonde se trouve dans un environnement sûr en allant vers son aphélie). Au cours du freinage la sonde devient plus sensible à l’attraction solaire (force de 274 m/s2 contre 9,8 m/s2 pour la Terre) et s’en approche. Le pilotage astronautique est très délicat ! Il s’agit de céder un peu de vitesse mais pas trop. Si l’on ralentissait trop à l’aphélie, la sonde serait capturée par le Soleil au périhélie et disparaîtrait corps et bien dans la fournaise.

Il y aura rapidement une suite ou si l’on préfère, un complément, aux observations de la sonde Parker puisque l’ESA doit lancer en 2020 la sonde Solar Orbiter. Celle-ci aura une orbite polaire mais s’approchera moins du Soleil, seulement à 55 rayons solaires. On déjeune avec le diable avec une très longue cuillère et on avance vers la table avec prudence ! Le passage au périhélie de la sonde Parker le 1er septembre sera le troisième, à 35 rayons solaires. Les 21 autres passages se feront de plus en plus près.

Illustration de titre : la sonde Parker à l’approche du Soleil (vue d’artiste) : crédit NASA/John Hopkins APL/Steve Gribben. Vous remarquerez les panneaux solaires mobiles sur le côté ; les antennes qui partent du bord du bouclier et la perche à l’arrière qui porte un magnétomètre.

illustration ci-dessous: les orbites de la sonde Parker. Vous remarquerez qu’elles se resserrent petit à petit, entre l’orbite de Vénus et le côté opposé du Soleil. Le troisième périhélie (1er septembre 2019) sera comme les deux premiers à 35 rayons solaires, les périhélies 4 et 5 seront à 27 Rs, les 6 et 7 à 20 Rs, les 8 et 9 à 15 Rs, les 10 à 16 à 11 ou 12 Rs, les 17 à 21 à 10 et les trois derniers, en-dessous de 10.

Illustration ci-dessous : orientation de la sonde et évolution du déploiement des panneaux solaires au cours de chaque orbite; crédit NASA /JHUAPL. Vous remarquerez que le bouclier thermique est toujours orienté vers le Soleil:

liens:

JHUAPL: http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/index.php#the-mission

NASA (Goddard SFC): https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe

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Index L’appel de Mars 19 08 13

Le Soleil, source de vie mais père terrible qu’on connaît encore mal!

Oh Soleil, toi qui depuis toujours nous entraînes dans ta course autour du Centre de la Voie-Lactée, qui nous réchauffes de tes rayons, qui fais chatoyer notre monde dans la multitude des couleurs du spectre lumineux que tu as créé, qui donnes la vie en communiquant ton énergie à tout organisme qui recueille ta lumière, sois ici remercié de tous tes bienfaits !

Ces paroles propitiatoires prononcées, il faut bien dire que le Soleil est aussi pour la Terre, pour les hommes et pour la vie, une puissance redoutable et fantasque. Voyons les chiffres et tout d’abord celui de la masse qui comme vous le savez, gouverne tout en ce monde : 1989,1*1024 tonnes (1,9 milliards de milliards de milliards de tonnes) pour le Soleil, comparé à la Terre 0,006*1024 tonnes (6000 milliards de milliards de tonnes) et à Jupiter 1,9*1024 tonnes. Vue autrement, la masse du Soleil représente 98,854% de la masse totale du système solaire, ce qui en laisse très peu pour tout le reste y compris les géantes Jupiter, Saturne et Uranus sans parler des poussières que sont les planètes telluriques dont la Terre. Du fait des lois de la gravité, la masse détermine la pression et la chaleur interne. C’est cela qui a allumé le « réacteur à fusion nucléaire » du Soleil qui fonctionne depuis 4,5682 milliards d’années (avec 4,543 milliards d’années la Terre est juste un peu plus jeune, ce qui est normal puisqu’elle résulte de la contraction du nuage protoplanétaire au centre duquel le Soleil s’est formé). Par la pression et la chaleur, le réacteur convertit l’hydrogène qui constitue à 74% notre étoile, en hélium qui aujourd’hui en représente déjà 24% (les 2% restant étant faits de toute la gamme des autres éléments chimiques). Chaque seconde, 627 millions de tonnes d’hydrogène sont ainsi convertis en 622,7 millions de tonnes d’hélium ionisé (« particules alpha »), la différence de 4,3 millions de tonnes étant rayonnée sous forme d’énergie (photons lumineux et d’autres longueurs d’onde du spectre électromagnétique) à l’extérieur de l’astre et donc en partie vers nous. C’est dans le cœur que se passent les réactions (toujours pression + chaleur) et c’est de là que proviennent ces 4,3 millions de tonnes/s. Pour le moment les « réserves » d’hydrogène sont telles que le Soleil est en équilibre hydrostatique, on dit qu’il est en « phase linéaire », mais du fait des dissipations de masse, le cœur se contracte petit à petit, de ce fait les réactions deviennent plus intenses et la luminosité croît (7% par milliard d’années). C’est ainsi depuis 4 milliards d’années mais cela ne va pas durer « toujours », quoique nous ayons quand même un peu de temps devant nous. Ce n’est que dans un peu plus de 5 milliards d’années (le Soleil aura alors 9 milliards d’années) que les ressources en hydrogène du cœur s’étant épuisées, l’équilibre hydrostatique ne sera plus assuré et la phase linéaire prendra fin. Le milliard d’années suivant sera très éprouvant pour l’humanité si elle subsiste sous une forme quelconque sur notre planète (c’est peu probable mais on peut rêver !). En effet le cœur du Soleil s’étant totalement converti en hélium et de ce fait très sensiblement contracté, la pression interne aura considérablement augmenté et le processus de conversion s’étendra aux couches moins profondes d’hydrogène. Au-dessus, les couches superficielles moins « tenues » par la pression, se dilateront toujours davantage sous l’effet de la chaleur et le soleil enflera lentement pendant environ 500 millions d’années puis de plus en plus vite pendant les 500 millions d’années suivantes. Il sera alors devenu une géante rouge, d’un diamètre cent fois supérieur au diamètre actuel et d’une luminosité 2000 fois supérieure. A cette époque son enveloppe externe aura avalé corps et bien Mercure et Vénus et notre pauvre planète sera depuis longtemps totalement desséchée et grillée. Mais pour tout vous dire, déjà dans moins d’un seul milliard d’années la Terre sera probablement devenue inhabitable à cause d’une part de la hausse de la température moyenne et d’autre part de la fixation du gaz carbonique atmosphérique. Le Soleil aura ainsi repris tout ce qu’il nous aura donné, quelles que soient les prières que nous lui aurons adressées.

Pour le moment, en phase-linéaire, quelle est la structure du Soleil ? En remontant du centre vers l’espace (le rayon du Soleil, « Rs », fait 696.000 km contre 6.370 pour la Terre), on distingue six régions : (1) le noyau (0,25 Rs) où Vulcain active la fusion dans sa forge (15 millions de degrés Kelvin ou Celsius) ; (2) la zone radiative (0.25 à 0.7 Rs) où s’expriment les photons libérés par la fusion (la température passe de 7.000.000 à 2.000.000°C); (3) la tachocline (0.7 à 0.8 Rs), zone tampon fluide, transition entre la zone à rotation uniforme et zone à rotation différenciée selon la latitude, source probable du champs magnétique ; (4) la zone convective (de 0.8 Rs à la surface), d’une température allant de 2.000.000 à 6400°C, parcourue par des vagues de convection allant des pôles vers l’équateur et de la profondeur vers la surface. Elle génère sous la surface, des « supergranulations » (30.000 km de diamètre environ) qui évacuent la chaleur vers les granulations de surface et les « racines » des « spicules » (jets de matière de 500 km de diamètre allant jusqu’à 10.000 km d’altitude) guidées par les flux magnétiques. D’après les observations de la sonde SoHO (ESA), les « CME » (éjections de masse coronale) proviendraient aussi de la surface de cette région (donc de dessous la photosphère); (5) la  photosphère (500 km d’épaisseur), la température, en moyenne de 6000°C y décroit inversement à la profondeur. C’est la surface à laquelle nos instruments d’observations peuvent accéder (à distance!) et l’on y voit les granules mentionnées plus haut, d’une taille de 1000 à 3000 km, surface des supergranulations, entre ces granules, des tubes de flux magnétiques et à l’occasion une « facule » (zone brillante) ou une « tâche solaire » (zone sombre et « froide », à moins de 4000°C) qui peut mesurer de quelques milliers à plusieurs centaines de milliers de km et durer de quelques heures à quelques semaines; enfin (6) l’atmosphère que l’on subdivise en trois zones : la chromosphère, la couronne et l’héliosphère. Curieusement la chromosphère (quelques 1500 km d’épaisseur, de 500 à 2000 km d’altitude) que l’on aperçoit comme un anneau rougeâtre très fin lors des éclipses totales, commence par des températures relativement peu chaudes (4100°C) mais elle monte ensuite jusqu’aux environs de 20.000°K/C. Examinée avec un filtre, on peut y voir des « plages » (zones chaudes) contrepartie des facules photosphériques, des « fibrilles et « filaments, résultat d’une activité magnétique intense. Ensuite, dans une « zone de transition » assez chaotique d’environ 200 km vers la couronne, la température monte très rapidement jusqu’au million de degrés. La couronne est beaucoup plus chaude que la zone de transition, de 1 à 2 millions °C en moyenne jusqu’à 8 à 20 millions °C. Visuellement c’est la magnifique chevelure de l’astre, que l’on voit ébouriffée et énorme, lors des éclipses totales. C’est le lieu d’ouvertures des lignes de champ magnétique vers l’espace déterminant la magnétosphère solaire, et le lieu des projections d’énergie et de matière. Les lignes de champ entraînent en effet l’hydrogène de la surface solaire qu’elles ionisent en protons et électrons (1 millions de tonnes par seconde). C’est le point de départ de ce qu’on appelle le vent solaire. La couronne peut s’étendre jusqu’à une vingtaine de rayons solaires (0,1 unités astronomiques) mais elle fluctue beaucoup. Elle se poursuit par l’héliosphère, domaine du vent solaire, qui s’étend jusqu’aux confins de notre système solaire, à l’héliopause, onde de choc devançant sa course autour de la galaxie, à 230 km/s, déterminée par la confrontation de la vitesse du vent solaire protégé par la magnétosphère, avec le milieu interstellaire. Seuls les photons (et Voyager 1!) passent (a passé) l’héliopause et ce sont eux qui sont nos messagers auprès des autres étoiles.

Au-delà de sa structure, pour le moment stable, il faut voir le Soleil et son environnement dans son fonctionnement, comme un milieu dynamique. Il y a des règles ou des lois mais dans leur cadre, tout est mouvement et tout évolue! Outre son attraction par force de gravité dont le rayon s’étend bien au-delà de Pluton puisqu’elle commande à la Ceinture de Kuiper et aux Nuages de Oort, l’activité du Soleil fondée sur la fusion nucléaire se manifeste comme on l’a vu par ses lignes de champs magnétiques et ses émissions de flux photoniques (résultant de la conversion des 4,3 millions de tonnes/s mentionnées ci-dessus) et de matière (le million de tonnes/s également déjà mentionné), l’ensemble étant en interaction. Les photons ce sont les rayonnements lumineux, les ultra-violets et le rayonnement infra-rouge, la matière ce sont les particules, (« SeP », Solar energetic Particle), qui constituent le vent solaire. Les émissions solaires constituent un fond continu. Les flux de photons (irradiance) montrent une très faible variation (moyenne 1360 W/m2 au niveau de l’orbite terrestre) mais les flux de particules sont aussi rythmées par des cycles, le plus court et le plus connu étant de onze ans (en 2019 nous sommes en bas de cycle). Les projections violentes, à la périphérie des tâches solaires, s’annoncent par la floraison de ces dernières. On a ensuite des accès qui peuvent donner des tempêtes solaires s’ils sont suffisamment forts et parfois des éjections de masse coronale (CME, voir plus haut). A l’intérieur de l’héliosphère, les particules ionisées sont projetées hors du Soleil radialement à partir de sa surface mais la rotation du Soleil sur lui-même (la moyenne de celle des différentes bandes, fonction des latitudes, est de 27 jours) provoque une torsade en spirale du champ magnétique. Cette forme curieuse (voir illustration de titre) est appelée, « nappe de courant héliosphérique » ou « spirale de Parker » du nom de l’astrophysicien américain Eugène Parker qui l’avait prédite dans les années 1950. Elle s’étend jusqu’aux environs de l’orbite de Jupiter. Donc si on peut dire que les émissions sont directionnelles (elles suivent les lignes de force du champ magnétique), leur trajectoire est difficile à prévoir, ce qui aggrave leur danger pour les voyages interplanétaires. De plus si ces éruptions se manifestent autour du pic d’activité de onze ans, ce n’est pas toujours le cas ! A noter enfin que plus le Soleil est actif, plus les rayonnements et les particules qu’il éjecte font écran aux rayonnements galactiques (GCR) dont certains éléments sont extrêmement énergétiques (2% sont des noyaux d’atomes lourds – HZE – très accélérés). Quand on se promènera dans l’espace profond, il faudra donc choisir entre moins de risque de tempête solaire mais une dose de radiations GCR élevée et une dose plus faible de GCR mais un plus grand risque de tempête solaire. Pas facile !

Beaucoup de questions se posent. Les variations de températures s’expliquent mal, notamment leur remontée très forte dans la chromosphère. Et puis on voudrait mieux connaître le fonctionnement des cycles solaires qui présentent des irrégularités sensibles d’intensité. C’est important non seulement pour les voyages interplanétaires mais aussi pour les activités terrestres (l’éruption solaire de 1989 a causé de sérieux dégâts et à l’époque moderne on n’en a pas encore vécu d’aussi grave que celle de 1859 où il n’y avait ni satellites ni beaucoup de télécommunications, à part le télégraphe). On observe à distance le Soleil compte tenu de sa température et de sa force de gravité (plus on s’approche, plus la satellisation suppose une vitesse élevée pour ne pas chuter dans le Soleil puisque sa vitesse de libération est de 617 km/s contre 11,2 pour la Terre). On a envoyé quelques sondes, l’avant dernière SoHO (en activité jusqu’en 2020) orbite en halo autour du point de Lagrange L1, entre la Terre et le Soleil, la dernière Parker (NASA), lancée en 2018, doit s’approcher beaucoup plus près, jusqu’à presque “toucher” la Couronne. Elle a été équipée de dispositifs de protection remarquables. Je vous en parlerai la semaine prochaine.

Illustration de titre: spirale de Parker (domaine public). La planète la plus extérieure est Jupiter.

image ci-dessous: une tache solaire. On y voit bien la tache proprement dite, les bords très actifs sur le plan magnétique et les granules ordinaires de la surface solaire:

image ci-dessous, paysage solaire, à la surface de la photosphère:

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Horizons lointains. Variations sur le thème des dimensions de l’Univers

Le regard tourné vers la voûte céleste, l’homme s’est toujours émerveillé et interrogé. Attiré mais aussi effrayé ou frustré par ce qu’il pressentait être, bien plus que l’Océan, la véritable immensité, il a plusieurs fois donné ses réponses sans accepter son incapacité à comprendre, en peuplant de divinités cet espace surhumain. Quelques philosophes grecs comme Aristarque de Samos ou Aristote ont cependant tenté des explications rationnelles. Certaines étaient plutôt bonnes, d’autres franchement mauvaises mais comme par manque de données d’observation il n’y avait pas d’arbitrage possible, ce sont les plus timides et les moins imaginatifs de ces penseurs qui imposèrent leurs vues. Je pense évidemment à Aristote et à tout le mal qu’il a fait à la science astronomique au travers de l’Eglise jusqu’après Galilée. Depuis quelques siècles l’esprit scientifique fondé solidement sur l’observation, l’esprit critique et la démonstration, s’est heureusement affermi et, assisté par un développement technologique extraordinaire, il apporte des éléments de plus en plus sérieux pour comprendre. Cependant si nous savons toujours plus nous ignorons encore beaucoup !

Faisons l’état des lieux, sans prétendre être exhaustif (ce serait difficile sur un tel sujet et dans un article de blog) !

NB : J’ai voulu dans cet article reprendre et prolonger les commentaires de Christophe de Reyff, physicien, ancien responsable de l’énergie à l’Office Fédéral de l’Energie (OFEN), à propos de mon article sur le projet LISA (ondes gravitationnelles).

Dès la première approche, les dimensions de l’Univers posent problème. On sait maintenant qu’il a commencé comme d’autres peut-être et peut-être à l’occasion d’une fluctuation quantique dans un vide qui n’était pas si vide, comme un volume extraordinairement massif et dense, évoluant dès l’origine en expansion à partir de l’infiniment petit, il y a 13,8 milliards d’années (13,799 +/-0,021). La lumière ou plutôt les divers signaux « messagers » provenant de ce moment ont mis cette durée à nous parvenir à la vitesse de…la lumière. Mais si l’on voulait revenir vers notre source (en en ayant bien sûr le temps) à cette même vitesse, constante universelle par définition immuable et intangible, il nous faudrait 42 milliards d’années*. L’explication étant que l’espace n’est pas resté inchangé depuis les origines mais qu’il s’est dilaté, dit autrement, qu’il y a eu « expansion ».

Toute la difficulté pour appréhender le sujet vient de cette immensité, de la limitation imposée par la vitesse de la lumière, du coefficient d’expansion et de la stabilité ou des variations de ce coefficient (accélération).

Alors si on regarde autour de nous, jusqu’où voit-on ? La bonne nouvelle c’est que compte tenu de la vitesse de la lumière on peut encore voir ou entendre nos origines (il vaudrait mieux dire « les percevoir » car les « messagers » ne sont pas que lumineux, ils occupent tout le spectre électromagnétique, et ils ne sont pas qu’électromagnétiques puisque les ondes gravitationnels, les neutrinos et les rayons cosmiques particulaires sont aussi porteurs d’informations). En effet la distance n’est pas telle que compte tenu de l’expansion nous nous éloignions actuellement des premiers signaux à une vitesse supérieure à celle de la lumière. En fait la limite au-delà de laquelle la fuite d’expansion serait supérieure à celle de la lumière et donc au-delà de laquelle aucun signal ne pourrait nous parvenir est actuellement de 14,45 milliards d’années, l’« horizon des photons » qui délimite la « surface de Hubble ». Nous pouvons donc encore voir aussi loin que nécessaire (même théoriquement plus loin) bien que très difficilement en raison du très fort décalage vers le rouge (effet Doppler-Fizeau résultant de la vitesse croissante d’éloignement en fonction de la distance) les premiers jaillissements de la lumière (visibles sur la « carte » qu’on appelle le fond diffus cosmologique ou la « surface de dernière diffusion » ou « Cosmic Microwave Background ») qui ont eu lieu il y a 13,8 milliards d’année moins 380.000 ans. Il faut en effet tenir compte de ce que suivant le Big-bang et jusqu’à la « recombinaison » (association des électrons avec les protons) qui eut lieu à cette époque, la lumière ne s’était pas encore dégagée de la matière. Mais on pourrait aller au-delà de cette barrière de 380.000 ans, vers le Big-bang, en exploitant les données fournies par les émissions de neutrinos et d’ondes gravitationnelles qui ont pu s’exprimer avant, ou en étudiant davantage la surface de dernière diffusion dont les irrégularités (« anisotropies ») expriment bien évidemment ce qui s’est passé « avant ».

Mais que voit-on ? Il est bien connu et compris que nous ne voyons que dans le passé puisque la vitesse de la lumière ne peut nous transmettre d’information que sur ce qui existait quand elle a été émise. Nous sommes donc de ce point de vue au sommet d’une sphère*, notre regard (ou plutôt notre regard avec l’aide de nos instruments d’observations) nous permettant de voir tout autour de nous des objets de plus en plus anciens au fur et à mesure qu’ils sont plus lointains. Nous ne pourrons jamais connaître directement notre univers contemporain, c’est frustrant mais c’est ainsi. Nous ne pouvons que le déduire en appliquant et en extrapolant sur les principes d’homogénéité et d’isotropie constatés pour l’univers lointain. Une étoile géante rouge voisine comme Antarès ou Bételgeuse (situées toutes deux à environ 500 années-lumière) deviendra un jour une supernova mais nous ne le saurons que lorsque nous aurons reçu le rayonnement nous en informant, 500 ans après qu’il ait été émis. Nous sommes donc forcément au centre de notre univers observable, constatant tout autour de nous un horizon limité par la surface de dernière diffusion et, plus en profondeur, par certaines sources d’émission de neutrinos et certaines sources d’émission d’ondes gravitationnelles. Cet horizon est différent de notre « horizon cosmologique » qui est la limite, « buttant » sur le Big-bang il y a 13,8 milliards d’années-lumière, au-delà de laquelle aucun signal ne pourrait être reçu et différent de l’« horizon de Hubble » (également appelé « horizon des photons ») qui est la distance à laquelle la vitesse des photons qui nous atteignent aujourd’hui venant de ces sources dépasserait la vitesse de la lumière, soit 14,45 milliards d’années-lumière. Un jour, l’expansion de l’univers se poursuivant, la vitesse d’éloignement de la totalité des astres qui nous entourent aura été accélérée jusqu’à dépasser la vitesse de la lumière et notre horizon sera devenu intégralement noir au-delà de la masse de matière retenue dans notre galaxie par son trou noir central et des galaxies voisines qui lui sont dépendantes. Notre horizon des photons (qui se sera dilaté jusqu’à atteindre 17,41 milliards d’années-lumière) nous empêchera de voir jusqu’à notre horizon cosmologique (qui se sera dilaté beaucoup plus vite). Mais ce sera dans très, très, longtemps, l’échéance dépendant non seulement de l’expansion mais aussi de l’accélération de l’expansion de notre univers.

On discute beaucoup de ces deux phénomènes. Voyons d’abord l’expansion. On parle de la « constante » (et on a tort) de Hubble (« H ») qui est la vitesse d’éloignement des astres qui nous entourent divisée par la distance qui nous sépare, le problème pour l’apprécier étant la définition de la distance (la vitesse donnée par le déplacement vers le rouge par effet Doppler-Fizeau est moins difficile à évaluer). On a obtenu plusieurs résultats pour ce paramètre, en fonction de l’instrument utilisé et des données prises en compte mais on approche sans doute d’un bon chiffre. Une méthode de calcul (à l’aide du télescope Planck, successeur de COBE puis de WMAP) repose sur une extrapolation des variations de températures constatées dans les anisotropies apparaissant à la surface du fonds diffus cosmologique. Une deuxième, présentée par l’Université Carnegie, utilise les Céphéides (dont la luminosité régulière est depuis longtemps considérée comme un bon indicateur des distances). Une troisième, imaginée et mise en œuvre par la collaboration H0LICOW en 2017, utilise les lentilles gravitationnelles. Une quatrième présentée tout récemment (2019) par la même université Carnegie, utilise les pics d’éclat des étoiles géantes rouges comme des standards de luminosité en combinant ces données avec celles de la luminosité de certaines supernovæ (type SN1a). La méthode Planck donne 66,93 +/- 0,62 km/s/Mpc, celle de Carnegie « 1 », 74 km/s/Mpc, celle de la collaboration H0LICOW 71,9 +/- 2,7 km/s/Mpc et celle de Carnegie « 2 », 69.8 km/s/Mpc. LISA qui doit collecter les ondes gravitationnelles dans les années 2030 devrait apporter sa contribution avec une grande précision. On affine donc et on finira sans doute par se mettre d’accord…mais la vraie difficulté vient de ce que cette « constante » ne l’est qu’à une époque donnée, ce qui fait qu’elle n’est plus une constante comme on le pensait mais qu’elle n’est que la valeur actuelle, H0, du « paramètre » H de Hubble.

S’il y a variation de la « constante » c’est qu’il y a eu accélération ou décélération de l’expansion. Qu’en est-il ? On sait déjà que l’expansion n’a pas été constante au tout début de l’univers, bien avant les 380.000 ans mentionnés plus haut, pendant la période dite d’« inflation » (entre 10-35 et 10-32 secondes suivant le Big-bang). Pour la suite, il semble qu’elle ait commencé à accélérer il y a 6 ou 7 milliards d’années et que cela va continuer. Pour mieux comprendre cette réalité actuelle et cette perspective, il faut ouvrir un autre « tiroir » c’est-à-dire considérer d’une part l’effet de masse qui freine l’expansion, via le « paramètre de densité », que l’on symbolise par «  » (Oméga), et d’autre part le coefficient qui l’accélère, qu’on appelle « constante cosmologique » et qu’on symbolise par « Λ » (Lambda).

Le premier, Ω, exprime la totalité de la matière dans l’univers, toute la matière y compris la fameuse « matière noire » (évaluée grâce aux observations du télescope Planck comme constituant 25,8% des composants de l’univers)! Il nous donne la courbure de l’espace-temps (certains comme le Professeur Luminet, disent que c’est cette courbure qui lui donne son dynamisme). Si Ω >1 la courbure de l’espace est sphérique (elle se referme sur elle-même), on va vers une contraction de l’univers, il est donc fini ; si Ω <1 la courbure est hyperbolique et on va vers un univers infini. D’après les études actuelles il est très légèrement positif avec Ω =1,11 +/-0,13, ce qui n’est malgré tout pas très concluant puisque les 0,13 mettent la conséquence dans la marge d’erreur.

Le second, Λ, coefficient d’accélération (“constante cosmologique“), compense cette force de contraction, on pourrait dire qu’il ouvre l’univers vers une expansion accélérée. Imaginé par Albert Einstein pour équilibrer ses calculs, il l’avait tout de suite rejeté mais on le reprend aujourd’hui car avec nos moyens d’observations, il « fait sens ». Il est extrêmement faible mais non nul et positif (1,1056 x 10-52 m-2). Certains disent qu’il pourrait exprimer la toujours hypothétique « énergie sombre » (évaluée par Planck à 72,8% des composants de l’univers). Le résultat de cette accélération entretenue par la constante cosmologique est que le paramètre de Hubble (H) décroit. Cependant la conséquence du caractère de constante du coefficient Λ c’est qu’il existe une valeur minimale à H qui donc s’arrêtera de décroître. La sphère de l’univers observable sera alors égale à la sphère de l’univers cosmologique (mais la quantité d’objets dans l’univers observable continuera de décroître puisque petit à petit ils en sortiront du fait qu’ils seront à une distance telle que leur lumière ne pourra plus nous rejoindre). Savoir si l’accélération continuera toujours reste un mystère tant que l’on ne connaît pas la nature de l’énergie sombre (ce n’est toujours qu’une hypothèse).

Comme notre possibilité de voir est limitée par la vitesse de la lumière, il est très difficile de savoir quelle forme a l’univers. Autrement dit, il est très difficile d’apprécier jusqu’à quel point notre perception est altérée par la structure de l’espace-temps. Dans notre environnement (on pourrait dire « à l’intérieur ») on se le représente assez bien comme une sorte d’éponge très mousseuse, les fibres de matières s’agglomérant autour de sortes de nodosités qui sont les régions où la matière est la plus dense et la force de gravité, la plus puissante, s’étirant autour de vastes cellules « vides » ou vidées par la force d’attraction des concentrations de matière voisines (« cosmic voids »). A plus grande échelle on en est encore aux supputations. Ce qu’on sait, c’est que l’univers est fini ne serait-ce que parce qu’il a eu un début et aussi parce qu’ Ω semble >1! Mais s’il est fini il est peut-être sans bord (« illimité ») ce que l’on sait possible depuis le développement des géométries non-euclidiennes. C’est la théorie de Jean-Pierre Luminet (voir lien vers sa conférence, ci-dessous). Comme volume, il privilégie l’espace sphérique dodécaédrique de Poincaré, figure compliquée qui introduit marginalement la possibilité de mirage topologique qui nous présenterait des images fantômes de la réalité (l’univers physique, jusqu’à l’« horizon des particules » d’aujourd’hui – 42 milliards d’années-lumière* – étant légèrement plus petit que l’univers observable contemporanéisé -53 milliards d’années-lumière). Reste à le démontrer en trouvant des images différentes d’une même source. Difficile à obtenir compte tenu de ce que les rayonnements qui nous parviendraient de cette même source par deux ou plusieurs chemins différents, auraient des âges différents et présenteraient donc des images différentes de cette même source ! On fait cependant de grands progrès en ce sens en y travaillant sur le CMB (voir article de l’Observatoire de Paris – obspm – ci-dessous).

Liens :

https://carnegiescience.edu/news/new-measurement-universes-expansion-rate-stuck-middle

https://www.youtube.com/watch?v=pjWSZWtr1Lw

https://www.obspm.fr/l-espace-dodecaedrique-de.html

https://fr.wikipedia.org/wiki/Surface_de_derni%C3%A8re_diffusion

https://arxiv.org/abs/astro-ph/0310253

Image de titre : Représentation de l’Univers en expansion accélérée. Crédit NASA/WMAP

Image ci-dessous: représentation de la structure de l’univers d’après les données collectées par le télescope Planck. Les distances ont été corrigées en appliquant le paramètre H0. Crédit: Max Planck Institute for Astrophysics, Millennium Simulation Project:

image ci-dessous: carte du CMB (Cosmic Microwave Background) c’est à dire de la “Surface de Dernière Diffusion” ou “Fonds Diffus Cosmologique”. Crédit: NASA/WMAP Science Team.

Image ci-dessous : visualisation de l’espace dans la topologie PDS (Poincaré Dodecaedric Space): crédit Observatoire de Paris. On voit clairement que cela “brouille les pistes”. Notez bien qu’au niveau du fond diffus cosmologique les mirages topologiques ne seraient quand même que marginaux.

Paradoxe:

Lorsque nous regardons à partir de notre situation aujourd’hui vers le lointain le plus éloigné possible nous parvenons jusqu’au CMB (13,8-0,38 G al) que l’on peut assimiler à un point (40 millions d’années-lumière de diamètre). Lorsque nous pivotons de 180° pour regarder aussi loin que possible dans la direction opposée, notre perception parvient jusqu’au même point, le CMB, du fait de la courbure de l’espace imposée par le temps via la vitesse de la lumière. Notre univers d’observation est donc strictement contraint par ce volume en forme de cône surmonté d’une demi-sphère (pour simplifier!). La droite allant jusqu’au CMB est le rayon d’un sphère mais le second rayon qui en serait la prolongation pour constituer un diamètre, est du point de vue observationnel replié sur le premier.

Si nous considérons l’espace contemporain qui nous savons existe mais que nous ne pouvons voir du fait de la finitude de la vitesse de la lumière, sachant que la distance au CMB est aujourd’hui de 42 G al du fait de l’accélération de l’expansion de l’univers, nous pouvons maintenant considérer la réalité d’une surface (volume mis à plat) dont 42 G al serait le rayon et qui aurait un diamètre de 84 G al.

NB: Cet article a été soumis à la relecture du Professeur Luminet.  Il en a approuvé le contenu en précisant que ce blog “contribue à une diffusion de la culture scientifique de qualité”.

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