Aller sur Mars pour accéder à l’espace et devenir une espèce multiplanétaire

Conférence à Lausanne le 24 Mars dans les locaux du Temps   

Dans l’optique d’un envol hors de notre berceau, la Terre, Mars n’est pas une destination comme les autres. Aller sur la Lune c’est continuer à « tourner en rond » ; aller sur Vénus est impossible compte tenu de la température et de la pression atmosphérique au sol, et tourner autour dans les nuages, trop dangereux ; aller sur les lunes de Jupiter, c’est beaucoup trop loin compte tenu des radiations et des modes de propulsions que nous maîtrisons. Mars, a contrario, est définitivement hors du domaine terrestre ; c’est une planète sur laquelle les températures et la pression sont relativement acceptables bien qu’elles supposent une protection particulière ; c’est aussi une planète que l’on peut atteindre dans un délai acceptable tant au point de vue de la durée de notre vie, que des doses de radiations que notre corps peut supporter. Aller sur Mars est à la limite de nos possibilités technologiques et c’est pour cela que nous devons, sans attendre, y aller et tenter de nous y installer. Cette entreprise nous donnera la possibilité de continuer l’aventure de l’expansion humaine commencée en Afrique il y a quelques dizaines de milliers d’années, de ne plus dépendre d’une seule planète, de devenir une espèce multiplanétaire et d’envisager d’aller un jour encore plus loin. Ce sera aussi l’occasion d’une révolution copernicienne, celle de considérer que notre foyer n’est plus seulement la Terre parce qu’elle est habitée par l’homme mais que c’est l’Espace partout où il peut être habité par l’homme. Ce sera de ce fait le début d’un formidable épanouissement, tel que nous n’en avons pas connu depuis les Grandes-découvertes, tant sur le plan scientifique (stimulation de la Connaissance), qu’ingénieurial (stimulation du développement des technologies) et qu’économiques (stimulation de l’offre et de la demande).

Le 24 mars dans ses locaux de Lausanne (18h00/19h00), Le Temps m’offre la possibilité d’expliquer pourquoi cette ouverture vers Mars est aujourd’hui possible et souhaitable. Ma présentation se fera selon le plan suivant :

  1. La faisabilité : 1) le voyage vers Mars ; 2) la survie de l’homme sur Mars ;
  2. L’intérêt : 3) L’aventure humaine ; 4) Les merveilles de l’Univers.

On pourra ensuite en discuter avec les journaliste du Temps ! Cliquez ici pour l’annonce de l’événement par le journal. Bien entendu cette conférence est prévue sous réserve que la diffusion du coronavirus permette qu’on se réunisse.

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Index L’appel de Mars 22 02 10

Illustration de titre: la base martienne vue par SpaceX; crédit SpaceX. Sur la gauche (et beaucoup plus loin à droite), les Starships attendent la conjonction planétaire favorable pour repartir vers la Terre (il faut rester 18 mois sur Mars). Il n’y a pas “grand monde” dehors car l’atmosphère est irrespirable mais le grand dôme viabilisé à droite est lumineux et confortable. D’autres plus petits, tout aussi confortables et fonctionnels (habitats, centres de transformation de matières premières, serres, ateliers, petites productions industrielles), l’entourent. Ils sont reliés par des corridors-tubes également viabilisés. En cas de besoin d’action à l’extérieur pour faire ce que les robots ne peuvent accomplir, on sort en scaphandre ou en rover pressurisé.

NB: Le jeudi 27 une erreur de “manipulation” de mon logiciel, m’a conduit à mettre en ligne un article qui n’était pas destiné à être publié. Désolé pour mes abonnés qui l’ont reçu avant que je le retire!

Les étoiles massives comme Bételgeuse, sur le point d’exploser en supernova, sont autant des astres de mort que de vie

Toutes ces étoiles que vous voyez la nuit ne présentent que l’apparence de la simplicité et de la ressemblance. Les « étoiles-massives » sont, à côté des diverses « naines » déjà évoquées ainsi que des étoiles à neutrons ou des quasars, des entités à part. Leur différence ne vient, certes, que de leur masse et de la force de gravité qui s’y applique mais cela « change tout ».

Puisque au « début », pendant la plus grande partie des « âges sombres », l’Univers n’était que gaz mais de densité variable selon les dernières fluctuations du fond-diffus-cosmologique (« CMB »), il n’y avait dans l’Espace en expansion, ni étoiles, ni galaxies mais des nuages. La matière « solide » (non gazeuse) telle que nous la connaissons, ne commença à exister que lorsque les premiers d’entre eux commencèrent à s’effondrer sur eux-mêmes du fait de la force de gravité consubstantielle à toute masse…Et il en est toujours ainsi, même si la nature des étoiles a changé puisque leurs composants chimiques ne sont pas aujourd’hui tout à fait les mêmes qu’au début (elles produisent et intègrent de plus en plus d’éléments lourds). Les étoiles naissent toujours dans les nuages. Il suffit que ces derniers soient suffisamment volumineux et denses et qu’une perturbation quelconque vienne les déstabiliser. Il n’en manque pas dans l’Univers ! Mais tout ne se passe pas « n’importe comment ». La physique a ses lois ; elles se constatent et leurs applications se répètent indéfiniment avec la même logique.

Le processus d’instabilité gravitationnelle, dite « instabilité de Jeans », qui conduit à l’effondrement puis à la constitution d’un disque d’accrétion et enfin à un astre, a été décrit et expliqué par le physicien britannique du même nom en 1902. Il s’initie lorsque l’attraction gravitationnelle causée par une surdensité devient supérieure aux forces de pression qui ont tendance à s’opposer à cette surdensité. Il existe une masse critique (« masse de Jeans ») ou une dimension critique (« longueur de Jeans ») qui lorsqu’elles sont franchies, déclenchent un effet cumulatif et une accélération.

Une fois que le processus d’effondrement a commencé, un autre processus intervient pour conduire jusqu’à l’allumage de l’étoile, c’est celui de la conversion de l’énergie gravitationnelle en énergie thermique, jusqu’à initier la fusion « thermonucléaire » de l’hydrogène. Il faut un certain temps, dit « temps d’accrétion », qui augmente avec la masse, pour que la contraction produise tous ses effets (se termine) et un autre « certains temps » dit « temps de Kelvin-Helmholtz* », qui diminue avec la masse (plus elle est importante, plus l’effondrement et l’échauffement sont rapides), pour que l’énergie gravitationnelle de la contraction soit convertie en énergie thermique. Ces deux « certains temps » sont donc différents en fonction de la masse de l’étoile. Lorsque la masse est inférieure à 8 masses solaires, l’accrétion se termine avant le démarrage de la fusion. Au-delà, la fusion commence avant que l’accrétion se termine. On a donc un seuil (7 à 8 masses solaires) qui sépare les étoiles-naines de type solaire et les étoiles-massives.

*NB : Kelvin est le bien connu Lord Kelvin (mort en 1907), physicien britannique à l’origine de l’échelle de température thermodynamique partant du zéro absolu. Helmholz (mort en 1894) est le physicien prussien Hermann von Helmholz, notamment célèbre et honoré pour avoir associé les perceptions aux grandeurs physiques.

La fusion déclenche un mécanisme d’expulsion de la matière. En effet elle génère des radiations (qu’on peut se représenter comme une sorte de « vent ») qui gêne plutôt qu’il n’empêche (jusqu’à un certain point) la continuation de l’accrétion. On le constate dans les étoiles massives en formation qui n’ont plus autour d’elles un disque d’accrétion mais un tore (qui n’est plus plat mais cylindrique) ou même une coquille. Ce qui se passe c’est que la fusion une fois initiée projette un rayonnement d’UV qui détruit en partie les poussières non encore accrétées et se transforme du fait qu’elles sont freinées, en infrarouge qui bloque temporairement ou définitivement la suite de l’accrétion au centre (mais non l’accrétion autour de nodules, à l’intérieur du disque, du tore ou de la coquille). Le volume de ce qui reste de poussière et de gaz détermine l’importance du tore ou de la coquille qui sont soit à peu près digérés en fonction de leur volume, de leur densité, de leur composition physique et chimique, soit domine le rayonnement selon les mêmes critères, et s’effondre à nouveau sur l’étoile naissante (beaucoup plus rare) pour la faire encore grossir. Le résultat est que l’accrétion au centre, contrariée, se poursuit quand même jusqu’à un maximum de masse. Les plus massives des étoiles-massives ne dépassent ainsi presque jamais une centaine de masses solaires* et apparemment l’accrétion par effondrement d’un nuage de gaz n’aboutit jamais directement à un trou noir (sans doute les matières accumulées au centre ne sont-elles pas assez « lourdes » et compactes et doivent-elles être auparavant compressées au centre d’une étoile). Au-delà de la constitution de l’étoile, il ne faut pas oublier que toute la matière qu’elle n’a pas absorbée mais qui a été centralisée dans son disque d’accrétion, va être utilisée à sa périphérie. Une part va donner des planètes mais très souvent une plus grosse part va donner au moins une autre étoile (les étoiles binaires sont très fréquentes dans l’Univers).

*théoriquement 150 mais il y a, comme toujours, des exceptions…avec le doute venant de ce qu’on puisse observer en fait des étoiles doubles.

La contrepartie de la masse, c’est la densité et la violence des réactions de fusion dans le cœur de l’étoile. Les étoiles massives ont de ce fait une vie courte et d’autant plus courte qu’elles sont plus massives. L’intérêt pour nous, êtres aujourd’hui vivants puisque c’est de notre propre matière qu’il s’agit, c’est que la puissance de la fusion leur permet de transformer les éléments bien au-delà du carbone (« lourdeur » des éléments auxquels sont limitées les étoiles de moins de 8 masses solaires) et qu’elles enrichissent l’espace dans les « métaux » (tous les éléments au-delà du lithium) les plus lourds (fer et au-delà). L’apothéose de ces étoiles massives est un véritable feu d’artifice puisque lorsqu’elles ont constitué suffisamment de fer en leur cœur, elles implosent puis explosent (rebond de l’onde de choc) en supernova, au niveau des couches externes par rapport à leur noyau. Le souffle de la supernova va à son tour provoquer des perturbations dans les éventuels nuages de gaz proches, et ainsi de suite !

Il y a moins d’étoiles massives que d’étoiles naines, du fait précisément du démarrage de la fusion avant la fin de l’accrétion et de la gêne à la continuation de l’accrétion que cela constitue. Mais tout de même, le phénomène n’est pas exceptionnel. Nous en avons une dans notre entourage contemporain, la supergéante-rouge Bételgeuse. Elle est située à quelques 640 années-lumière (distance difficile à évaluer précisément), dans la constellation d’Orion (distance à comparer aux 100.000 années-lumière du diamètre de notre galaxie). 15 fois plus massive que le Soleil, elle pourrait exploser à tout moment alors qu’elle n’est âgée que d’une dizaine de millions d’années (notre Soleil âgé de 4,6 milliards d’années à une espérance de vie de 10 milliards d’années). Déjà boursouflée par l’âge (relativement à sa catégorie), son rayon la porterait dans notre système solaire tout près de Jupiter, au-delà de la Ceinture-d’astéroïdes. Si elle explosait ou plutôt quand elle explosera (puisque c’est une certitude), le danger qui serait très réel à moins de 50 années-lumière, sera pour nous très atténué par la distance. L’explosion s’accompagnera d’un cocktail très varié de radiations dures (« rayons cosmiques ») et moins dures (simples ondes lumineuses) mais heureusement trop éloignées pour mettre en danger la vie sur Terre. Il faudrait que l’astre se trouve à une cinquantaine d’années-lumière pour qu’il le fasse, ce n’est pas le cas de Bételgeuse et il n’y a pas de « candidat » à l’explosion à cette distance. Nous en subirons peut-être quand même quelques nuisances (la quantité et la force des radiations cosmiques pourraient perturber nos télécommunications, la couche d’ozone et donc sans doute un peu le climat). Ce sera un événement rare. Comme en témoigne les traces laissées (abondance de fer isotope 60 – fe60 – produit lors de ces événements) il y a eu seulement une vingtaine de supernovæ à moins de 1000 années-lumière de la Terre dans les 10 derniers millions d’années et nous ne nous sommes différencié des grands singes qu’il n’y a un peu plus de 7 millions d’années. La dernière observation en direct d’une supernova survenue dans notre galaxie, l’a été en 1604 (« SN1604 »), notamment par Kepler. Ce sera aussi un spectacle magnifique car la luminosité de l’astre atteindra celui du premier ou du dernier quartier de Lune (une “demi-lune”) et excédera celui de Vénus pendant plusieurs semaines (localement, à 640 années-lumière d’ici, sa luminosité sera celle de 10 milliards de soleils). A noter que SN1604 était beaucoup plus lointaine (sans doute environ 20.000 années lumière) et qu’il y aura donc forcément avec elle une différence importante de luminosité. Actuellement Bételgeuse a un comportement bizarre. C’est l’une des étoiles les plus lumineuses dans le ciel mais récemment, en quelques semaines, son éclat est passé de la 9ème à la 20ème place (magnitude apparente -0,6 à 1,55 le 19 février). Il est normal que cet éclat fluctue car Bételgeuse est une « étoile variable » mais la baisse de luminosité constatée aujourd’hui ne l’a jamais été auparavant. Son éclat est-il atténué par le passage d’un nuage de poussière entre nous ou bien le « grand jour » est-il arrivé et cette baisse de luminosité est-elle celle de la contraction avant l’explosion ? Si c’était le cas, un flux de neutrinos et d’antineutrinos en seraient l’annonciateur quelques minutes avant que nous la voyons de nos yeux (NB : si elle se manifestait demain, elle se serait quand même produite en l’an de grâce 1380 compte tenu de la distance et de la finitude de la vitesse de la lumière !)…mais nous pouvons aussi bien attendre encore 10.000 ou même 100.000 ans, quelques unes de nos minutes à l’échelle du temps de l’Univers !

Illustration de titre : Bételgeuse en janvier 2019 et en décembre 2019, le changement dans la luminosité et la forme sont évidents. Images de l’instrument SPHERE équipant le Very Large Telescope de l’ESO (Chili). Bételgeuse est une des rares étoiles dont l’image a pu être “résolue”. crédit ESO/Miguel Montargès et al. Miguel Montargès, chercheur à KU Leuven (Belgique) est un des spécialistes mondial actuel de l’étoile.

illustration ci-dessous: taille de Bételgeuse relativement aux astres de notre système solaire, vue d’artiste; crédit ESO/L. Calçada.

 

Liens:

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-betelgeuse-luminosite-repart-hausse-78987/

https://www.pourlascience.fr/sd/astronomie/lenigmatique-formation-des-etoiles-massives-3523.php

limite de Jeans: https://fr.wikipedia.org/wiki/Instabilité_gravitationnelle

temps de Kelvin-Helmholz : https://fr.wikipedia.org/wiki/Mécanisme_de_Kelvin-Helmholtz

https://trustmyscience.com/supernovas-proches-terre-risques/

https://www.futura-sciences.com/sciences/questions-reponses/astronomie-supernova-prochaine-etoile-pourrait-exploser-11560/

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/etoile-betelgeuse-baisse-luminosite-decryptee-sylvie-vauclair-79164/

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-betelgeuse-son-explosion-supernova-elle-bientot-78987/

https://www.youtube.com/watch?v=-p9tya1SqsY&feature=push-fr&attr_tag=Og4ITIeo945p3HBl%3A6

https://reves-d-espace.com/baisse-luminosite-betelgeuse-entretien-avec-miguel-montarges/

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Index L’appel de Mars 22 02 10

Bientôt, le 24 mars à 18h00, un événement martien dans les locaux du journal Le Temps à Lausanne. Inscrivez-vous!

Faut-il aller sur Mars?

Les quasars, des trous-noirs « dinosaures » en train de dévorer leur galaxie

Les quasars, « quasi-stars »* ressemblent à des étoiles mais ce ne sont pas des étoiles, un peu comme la reine des abeilles n’est pas l’essaim mais son cœur, avec d’autant plus d’ « animation » qu’on l’approche. Les quasars sont « tout simplement » des galaxies dans une forme primitive, une organisation quasi-révolue de la matière dans l’espace. Ils n’existent plus qu’exceptionnellement dans notre environnement « proche » mais nous pouvons toujours en admirer les lumières puissantes venues de la très lointaine époque où ils étaient abondants, du fait de cette puissance même et du fait que lorsque nous regardons loin nous regardons aussi dans la profondeur du temps.

*Plus précisément « QUAsi Stellar Astronomical Radiosource ».

Les quasars sont les sources les plus lumineuses de l’Univers. Leurs jets de gaz expulsés orthogonalement et de part et d’autres de leur disque d’accrétion (voir plus loin), atteignent des vitesses relativistes (proches de celle de la lumière). Ils émettent des radiations dans toute la gamme des longueurs d’ondes (avec un fort décalage vers le rouge parce qu’ils sont très lointains), des ondes radio, aux rayons gamma en passant par les infrarouges, la lumière visible, les ultraviolets, les rayons X. Dans les ondes visibles ils ont une luminosité de l’ordre de 1040 W (bien au-delà de la « limite d’Eddington » qui est un seuil  d’équilibre) mais c’est dans le domaine des ondes radio qu’ils ont d’abord été remarqués. Ils se distinguent des autres événements violents comme les novæ ou les supernovæ en ce qu’ils ne sont pas ponctuels, des explosions, mais des phénomènes d’une certaine durée.

Dans les années 1950 on se posait des questions sur l’origine d’émissions radios très fortes dont on ne parvenait pas à observer la correspondance en ondes visibles. En 1962 Cyril Hazard de l’Université de Sydney, réussit par une utilisation astucieuse du radiotélescope de Parkes, en Australie, avec l’aide de son directeur John Bolton, à percevoir pour la première fois (dans la constellation de la Vierge) la source lumineuse d’un de ces phénomènes. On le nomma « quasar » (avec l’identifiant « 3C273 », désormais une référence), du fait de son apparence stellaire tout en ayant conscience que « quelque chose n’allait pas » pour le classer dans cette catégorie. Le diamètre angulaire de l’objet bien qu’hyper-lumineux était en effet extrêmement petit, quelques jours-lumière seulement, mais beaucoup plus gros qu’une étoile « normale ». La progression vers la compréhension du phénomène fut lente car il est toujours difficile de changer ses paradigmes face à « quelque chose » de nouveau.

Le premier « éclairage » fut donné par Maarten Schmidt de l’Observatoire du Mont Palomar à qui Cyril Hazard avait communiqué les caractéristiques de sa découverte. Marteen Schmidt comprit que le spectre de la lumière reçue était celui de la raie de l’hydrogène bien qu’elle soit fortement décalée vers le rouge (le « redshift » était de 0,158). Cela indiquait une forte vitesse d’éloignement donc une distance très grande (2,44 milliards d’années-lumière, à comparer aux 13,7 du « fond diffus cosmologique », « CMB »), à laquelle on n’avait pas l’habitude d’observer quoi que ce soit (rappelez-vous que « la toile de fond » de l’Univers, le CMB cité ci-dessus, n’a été observée qu’en 1964). Compte tenu de sa luminosité apparente (12,9) on constata que la source devait émettre autant de lumière (magnitude absolue -26,7) que plusieurs centaines de galaxies comme notre Voie-lactée.

Il fallut ensuite comprendre ce qui pouvait être à l’origine de cette énorme puissance. On apprit beaucoup par le nombre des observations (nous avons aujourd’hui un catalogue de plus de 100.000 quasars) qui permit des comparaisons et des généralisations. D’abord on constata que si les quasars étaient très anciens, ils n’étaient pas présents au tout début de l’Univers observable (métallicité faible mais non nulle de leur spectre). Leur nombre était très important il y a 10 à 9 milliards d’années puis il diminua très rapidement. Il n’y en a pratiquement plus aujourd’hui. Plus précisément il n’y en a plus qu’un seul pour un million de galaxies dans un rayon d’un milliard d’années-lumière alors qu’ils étaient un pour mille il y a 10 à 9 milliards d’années. Par ailleurs il apparut que ces objets avaient une très forte variabilité. Ils peuvent être durables (plus que toute période d’observation à ce jour) mais leur activité peut aussi varier fortement sur des périodes très courtes (quelques jours ou même quelques heures), leur seul point commun étant en fin de compte leur puissance d’émission dans leur faible taille.

L’explication la plus logique qui fut progressivement apportée (dans les années 1980), est que les quasars sont des trous noirs supermassifs dans des galaxies très denses ou plutôt dont les masses de matière proches du centre (c’est-à-dire celles qui peuvent être déstabilisées par la force gravitationnelle du centre) sont très denses. On les identifie maintenant aux plus actifs des « noyaux actifs de galaxie » (ou « AGN » pour « Active Galaxy Nucleus »). Leur « activité » viendrait d’une concentration de matière autour du trou noir telle que ce dernier y pourrait trouver, sur la durée, une « nourriture » plus qu’abondante. Le gaz serait, sous influence gravitationnelle du trou, accéléré à une vitesse voisine de celle de la lumière, créant d’intenses champs magnétiques et un rayonnement colossal. Au CalTech, Donald Lynden-Bell a calculé qu’un trou noir supermassif pouvait convertir en radiations jusqu’à 40% de la masse de matière aspirée. Le phénomène est cumulatif ; l’absorption de matière gonfle la masse du trou noir et lui permet d’attirer par gravité, davantage de masse dans un disque d’accrétion qui tourne de plus en plus vite autour de son centre, comme de l’eau dans un évier. Maintenant tous les AGN peuvent ne pas avoir une « activité » suffisante pour s’exprimer en quasar. On en distingue de plusieurs types selon ce critère : radiogalaxies, galaxies de Seyfert, blasars, magnetars. Il y a aussi des AGN relativement « tranquilles » (« radio-quiet »). Pour qu’un AGN devienne quasar, il faut un trou noir supermassif (force d’attraction du trou et vitesse du disque d’accrétion) et beaucoup de matière absorbable à proximité du trou. La quantité de matière se mesure en masses solaires et on estime qu’il faut que le trou-noir consomme au moins une étoile de type solaire par jour pour apparaître comme un quasar. C’est la matière de ce disque d’accrétion, chauffée par la rotation rapide causée par sa chute sur le trou, les fusions d’étoiles et leur déchirement lorsqu’elles sont sur le point d’être absorbées, qui seraient la source des radiations dégagées dans le faisceau (le « jet ») émis de part et d’autre du plan du disque d’accrétion. La partie active du noyau a une taille égale à la durée des variations d’intensité du quasar (la lumière ayant une vitesse limitée) et on constate qu’il n’excède pas quelques semaines lumières. Ces dimensions sont cependant énormes comparées à notre système solaire (les sondes Voyagers qui sont sorties récemment de l’héliosphère ne sont qu’à environ 18 heures-lumière mais l’étoile la plus proche est à 4,3 années-lumière).

Cette explication permet de comprendre aussi pourquoi les quasars étaient plus nombreux autrefois. La densité de l’Univers, plus contracté (dans lequel l’expansion n’avait pas atteint les effets constatés dans l’Univers d’aujourd’hui), facilitait les collisions de galaxies, donc les concentrations. Par ailleurs la matière de certains des nuages de gaz qui s’étaient condensés et qui avaient « allumé » leurs étoiles se trouvaient encore à proximité de leur centre (un peu comme la matière dans un système planétaire avant que l’étoile ait « nettoyé » par ses radiations l’espace dans son environnement immédiat).

On en est venu à penser que beaucoup de galaxies ont été des quasars à une période initiale de leur vie. Compte tenu du nombre de galaxies, du nombre de trous-noirs selon les différentes époques et de l’importance de la matière non-absorbée par les trous noirs, on estime que la « phase quasar » d’une galaxie massive pourrait durer en moyenne une dizaine de millions d’années et pas plus de 100 millions d’années.

C’est la réflexion tout autant que l’observation qui a permis la compréhension du phénomène et cela « interpelle » concernant les capacités de l’intelligence artificielle. En effet l’IA repose sur l’utilisation des données. Plus de données permet une analyse plus fine d’un phénomène. Ainsi dans le cas présent, on peut comparer les résultats, constituer des catégories de rayonnements et des catégories de sources de ces rayonnements, remarquer grâce à l’accumulation des données que le phénomène a eu lieu statistiquement beaucoup plus fréquemment il y a 10 et 9 milliards d’années que récemment. Mais c’est tout. L’image des quasars est trop petite pour être résolue par nos télescopes. Concevoir que les quasars ne sont pas des étoiles mais de la matière stellaire dans un disque d’accrétion autour d’un trou noir supermassif, requière de « penser en dehors de la boîte ». Le robot doté d’une IA ne le fait pas, il permet à l’homme de le faire.

Au-delà de savoir qu’ils existent, les quasars présentent beaucoup d’intérêt pour la connaissance de l’Univers. Ils sont comme des balises dans l’espace profond ou comme des jalons dans l’obscurité pour remonter toujours plus loin. De par leur masse, ils peuvent servir de loupes gravitationnelles à des objets encore plus distants. Récemment, grâce à l’instrument MUSE posé sur le VLT, on a constaté que les plus anciens d’entre eux permettaient d’éclairer les masses sombres des premières galaxies ou plutôt des protogalaxies qui n’avaient  pas encore formé d’étoiles, à la sortie des « âges sombres ». Dans le passé, ils ont pu être de forts éléments perturbateurs de leur environnement, donc de concentration de nuages de gaz, et de création d’étoiles (comme les supernovæ aujourd’hui). Dans le monde d’aujourd’hui on comprend que les trous-noirs centraux supermassifs, comme celui de notre Voie-lactée, ont probablement dans leur prime jeunesse, été des AGN et peut-être des quasars. Si c’est le cas, peut-être est ce le cas de toutes les galaxies spirales. Enfin on peut penser que la diminution de leur nombre au fil de l’Histoire, vient confirmer l’accélération de l’expansion de l’Univers (moins de fusions de galaxies aujourd’hui).

Liens et références :

https://www.pourlascience.fr/sd/astronomie/les-quasars-trous-noirs-en-action-1183.php

https://fr.wikipedia.org/wiki/Quasar

https://www.physicsandastronomy.pitt.edu/cyril-hazard

Ciel et espace n°568, décembre 19 / janvier 20 : « On a vu les premières galaxies », par Guillaume Langin

https://en.wikipedia.org/wiki/Active_galactic_nucleus

https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-record-hubble-decouvre-quasar-brillant-comme-600000-milliards-soleils-43162/

Illustration de titre: un quasar primordial, crédit Wolfram Freudling et al. (STECF), ESO, ESA, NASA

Image ci-dessous: structure d’un AGN: credit: CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46857319


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Index L’appel de Mars 20 02 01

Les étoiles à neutrons, des astres étranges aboutissement d’un processus nécessaire à la vie

Les « étoiles à neutrons » sont des astres étranges qui se situent de par leur masse volumique, entre les plus denses des étoiles, les « naines-blanches », et les « trous-noirs ». Elles sont assez nombreuses dans notre voisinage spatial mais très petites et, bien après en avoir fait la théorie, nous n’en n’avons réalisé la présence que lorsque l’on a compris que les pulsars étaient un de leurs modes d’expressions.

Comme les naines blanches, les étoiles à neutrons sont l’aboutissement de la vie de leur étoile génitrice, les différences sont la masse d’origine de cette génitrice et de son noyau résiduel après explosion en nébuleuse planétaire ou en supernova. Une naine jaune, comme le Soleil, (de 0,7 à 7 masses solaires), va produire une naine-blanche (en fait son noyau), durable, de moins de 1,44 masses solaires (« limite de Chandrasekhar »), composé des éléments lourds (des « métaux », jusqu’au carbone) générés par nucléosynthèse avant la dissémination de ses couches externes dans l’espace et qui va ensuite très lentement se refroidir. La limite de Chandrasekhar théorisée en 1930 par le jeune (il avait 20 ans !) Subrahmanyan Chandrasekhar, plus tard appelé « Chandra » , est la masse maximale au-delà de laquelle la « pression de dégénérescence » des électrons ne peut plus contrer la force de gravité au sein du noyau d’une étoile. Ainsi une étoile de 8 masses solaires et plus, va générer un noyau dense de 1,44 masses solaires et plus, qui va entraîner son « effondrement gravitationnel » et la poursuite du processus de transformation au-delà de la structure de naine blanche (cette continuation fut catégoriquement rejeté par Arthur Eddington, l’un des plus grands astrophysiciens de l’époque, lorsque Chandra la lui suggéra* !). L’aboutissement de ce processus est l’étoile à neutrons (Chandra n’était pas allé jusque-là). Mais, au-delà d’un noyau de plus de 3,2 masses solaires (correspondant à une masse initiale de 15 masses solaires), on peut s’acheminer vers un trou noir (il existe quand même des étoiles à neutrons de masse supérieure à cette « limite »).

*Ce qui devrait toujours inciter à beaucoup de prudence avant de rejeter les hypothèses « marginales » !

En fin de vie, l’étoile massive, de masse supérieure à 7 masses solaires, va fusionner le carbone de son cœur, en néon, magnésium, silicium, puis le silicium en fer et au-delà, jusqu’à l’uranium. Lorsque le cœur est converti en fer pour une masse atteignant 1,44 masses solaires, il s’effondre sur lui-même en matière neutronique (résultant de l’absorption des électrons par les protons), la force gravitationnelle n’étant plus compensée par quelque énergie contraire que ce soit. Les couches externes de l’étoile s’effondrent à leur tour vers le cœur, créant une onde de choc. L’onde de choc rebondit vers l’extérieur emportant toute la matière des couches externes sur son passage et de plus en plus vite puisque ces couches sont de moins en moins denses vers la surface. La matière chauffée à de très hautes températures par le choc, est dispersée dans l’espace à des vitesses énormes (plusieurs milliers de km/s). C’est la supernova.

Il reste au centre un cœur et ce cœur c’est l’étoile à neutrons. Ce n’est plus une étoile à proprement parler parce qu’elle ne se comporte plus comme un réacteur à fusion nucléaire ; l’étoile à neutrons poursuit son évolution au niveau non pas de l’atome mais à celui des composants de l’atome. Elle se présente comme un sphère de 20 à 40 km de diamètre (correspondant aux limites de masse de 1,44 à 3,2 !), d’une densité extrême avec une masse volumique de « quelques » 1000 milliards de tonnes par cm3. Sa structure est constituée de 4 couches autour d’un centre dont la composition est probable mais qui reste mystérieuse :

Une « atmosphère » de quelques cm à un mètre…mais qui ne l’est certainement pas au sens ordinaire (on pourrait plutôt dire « écume »). Il s’agit simplement de matière fluide, assemblage d’atomes, d’ions et d’électrons.

Une « croûte externe ». C’est la même matière, cristalline, que celle d’une naine blanche (composée de noyaux atomiques ionisés et d’électrons). Dans cette couche, avec l’augmentation de la densité, les protons fusionnent avec les électrons pour donner des neutrons.

Une « croûte interne ». Quand la densité franchit un seuil de 4,3 × 1011 g/cm−3 (« point de fuite neutronique »), les noyaux atomiques deviennent trop riches en neutrons (provenant de la fusion de protons avec des électrons) et ces derniers s’en échappent pour former un fluide. On a un mélange de noyaux atomique lourds (riches en neutrons), de neutrons et d’un peu d’électrons.

Un « noyau externe ». Quand la densité franchit un seuil de 1,7 × 1014 g/cm−3, les noyaux atomiques achèvent de se désintégrer. Cela donne un mélange de fluides de neutrons, protons et électrons, ces deux derniers types de particules étant nettement moins représentés que les neutrons.

Un « noyau interne ». Quand la densité franchit un seuil de 3 × 1015 g/cm−3, les neutrons se désintègrent ce qui implique que ce noyau interne, ou ce cœur, soit constitué d’un plasma fait de composants plus ou moins exotiques, logiquement divers quarks et gluons…mais on ne sait pas vraiment.

L’étoile à neutrons a conservé le moment cinétique de son étoile génitrice et compte tenu de sa taille, elle tourne sur elle-même à des vitesses considérables, plusieurs dizaines de rotations par seconde, parfois beaucoup plus (pulsars millisecondes) et génère un puissant champ magnétique (jusqu’à 1011 teslas pour les pulsars de type « magnétar »).

L’« invention » conceptuelle de ces astres par le physicien soviétique Lev Davidovitch Landau en 1932 (spécialiste des états condensés de la matière) a été contemporaine de la découverte du neutron, en 1932 (seulement ! Il est toujours étonnant que des découvertes aussi fondamentales soient aussi récentes) par le physicien britannique James Chadwick (prix Nobel 1935). Mais ce n’est qu’en 1967 qu’on observa la première étoile à neutrons, elle se présentait sous forme de pulsar. On la nomma, après coup, « PSR B1919+21 ». Jocelyn Bell (astrophysicienne britannique) auteure de la découverte était alors doctorante et selon les mœurs de l’époque…c’est son directeur de thèse qui, en 1974, obtiendra le prix Nobel pour cette découverte, sans aucune mention de son ancienne élève ! Il fallait évidemment faire le rapprochement entre pulsar et étoile à neutrons, ce que Jocelyn Bell ne fit pas mais c’est quand même sa découverte de cet astre et la reconnaissance de ses particularités de pulsar qui permirent ensuite son identification en tant qu’étoile à neutrons. Le rapprochement ne se fit vraiment que l’année suivante, en 1968, avec la découverte du pulsar du centre de la Nébuleuse du Crabe. Cette dernière, résultant de la supernova survenue en 1054 et commentée abondamment par les astronomes chinois de l’époque (et accessoirement d’autres astronomes de pays alors moins « civilisés » dans le monde) est célèbre…et magnifique (cf. illustration de titre) ! A noter que 90% des quelques 3000 étoiles à neutrons identifiées à ce jour l’ont été du fait de leur expression de pulsar, les autres l’étant presque toutes du fait de leurs émissions de rayons X et gamma. Il est évidemment beaucoup plus difficile d’identifier (sauf par leur émission thermique) les étoiles à neutrons isolées (sans matière « utilisable »* à proximité pour alimenter le pulsar) mais quelques-unes l’ont quand même été.

*NB : C’est la propulsion dans l’espace, à partir du pôle magnétique et dans l’axe magnétique de l’étoile, de radiations émises par l’astre lui-même et/ou de matière environnante (le plus souvent celle de l’étoile compagne) attirée par sa force gravitationnelle puis expulsée puissamment, qui crée le jet qui permet d’identifier le pulsar, la pulsation venant de la rotation de l’étoile selon un axe différent de son axe magnétique (c’est évidemment le plus souvent le cas). Le faisceau d’émissions décrit un cône du fait de cette rotation.

En dehors de leur caractère spectaculaire, les étoiles à neutrons ne sont pas pour nous (égoïstement !) des astres négligeables. Ce sont les événements cataclysmiques qui les ont formées, encore plus que le processus formateur des naines blanches, qui nous ont apporté les éléments lourds dont nous sommes faits. Sans « métaux » (qui ne comprennent pas que des métaux au sens ordinaires mais tous les éléments au-delà de l’hélium), point de vie (outre l’hydrogène, notre corps contient de l’oxygène, de l’azote, du carbone, du phosphate, du souffre, mais aussi du zinc, du cuivre, du fer, de l’or, etc..)! Les étoiles massives sont leurs creusets et les supernovas le facteur de leurs dispersions dans l’univers*. Du fait de leur vitesse d’expansion les nuages de matière dont elles sont constituées vont se mêler aux autres nuages de matières primitives (hydrogène, hélium) ou plus récentes (donc enrichis) et les enrichissent encore plus d’éléments plus lourds. Par leur souffle, elles densifient ces nuages et, dans certains cas, suffisamment pour amorcer une contraction gravitationnelle autour d’un centre et donc la formation de nouvelles étoiles accompagnées de leurs planètes.

*NB : Certaines supernovas, les « supernovas thermonucléaires », résultent de la fusion d’une naine blanche avec son étoile compagne (les étoiles binaires sont très nombreuses dans l’espace et les déstabilisations par accrétion de masses sont fréquentes). La limite de Chandrasekhar est immédiatement atteinte et toute la matière de l’astre compagnon, y compris celle de son cœur, qui ne s’est pas encore densifiée autant que celle de la naine blanche, est répandue immédiatement dans l’espace…cause supplémentaire d’enrichissement du milieu interstellaire.

C’est pour cela que la vie ne pouvait être enfantée par l’Univers avant le déroulement d’une certaine histoire. Il est donc vain de la chercher dans des observations de l’Univers très lointain, c’est-à-dire très ancien, comme certains fantaisistes l’imaginent. La vie est un phénomène inscrit dans l’Histoire et qui ne peut être qu’actuel. C’est parce qu’il est lié à des astres massifs à vie courte que l’enrichissement de l’Univers en métaux est devenu suffisant peu de temps avant que le nuage interstellaire dont notre Soleil est issu se contracte. Cela sous-entend symétriquement que l’Univers futur changera puisqu’il contiendra de plus en plus de métal. De ce fait, certaines zones des galaxies qui ne l’était pas deviendront peut-être habitables selon ce critère, d’autres (comme la nôtre) ne le seront plus ou donneront l’occasion de nouvelles combinaisons organiques à d’autres formes de vie en devenir.

Image de titre : la Nébuleuse du Crabe vue par Hubble. En son centre est tapie une étoile à neutrons. Crédit NASA.

Image ci-dessous : autre étoile à neutrons / pulsar (photos Chandra et WISE), crédit NASA : PSR B1509-58. Découvert en 1982 dans la constellation Circinus, ce pulsar date de l’an 300 après JC. Plusieurs types de radiations provenant de la même source (des rayons X aux ondes lumineuses) sont ici figurés, avec des couleurs différentes.

Image ci-dessous: coupe d’une étoile à neutrons. CC BY-SA 4.0 par Wattcle-Own work. Wikipedia commons.

Lecture : Dragon’s Egg de Robert Forward (décédé en 2002). L’auteur, physicien spécialiste de la gravitation, ayant notamment travaillé sur la recherche des ondes gravitationnelles, était aussi un (bon) écrivain de science-fiction. Dans Dragon’s Egg, publié en 1980, il imagine avec beaucoup de compétences et d’imagination ce que pourrait être la vie à la surface d’une étoile à neutrons. Il était né en 1930 à Geneva, Etat de New-York !

liens:

https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89toile_%C3%A0_neutrons

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6715

https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/astronomers-spot-distant-and-lonely-neutron-star.html

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Index L’appel de Mars 20 01 29

Conférence sur Mars le 12 février à Neuchâtel

Mars, les dernières observations de l’instrument CaSSIS et les motivations de la Mars Society.

J’ai organisé avec la Société Neuchâteloise de Sciences Naturelles (SNSN) une soirée martienne le 12 février à 20h00 au Musée d’Histoire Naturelle de Neuchâtel (MHNN). Elle consistera en une présentation, avec commentaires, par Antoine Pommerol, chercheur à l’Uni Berne, des dernières images de la planète, prises par l’instrument CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System) embarqué sur l’orbiteur TGO (Trace Gas Orbiter) de l’ESA. Ce sera l’occasion de faire le point sur nos connaissances de la planète Mars. Je compléterai par un court exposé sur les motivations de la Mars Society.

Le programme ExoMars de l’Agence Spatiale Européenne cherche à comprendre l’habitabilité ancienne et actuelle de Mars et l’éventuelle apparition de la vie. Il comprend deux parties. La première, « en l’air », est menée avec le TGO, lancé en 2016 (par l’agence russe Roscosmos) et qui est devenu scientifiquement opérationnel en avril 2018 (voyage de 9 mois suivi d’une longue circularisation de l’orbite par aérofreinage). La seconde étape, « au sol », sera menée avec l’atterrisseur qui avec son rover Rosalind Franklin, doit partir de la Terre en juillet prochain.

À bord du TGO qui circule à 400 km d’altitude (la même altitude que l’ISS autour de la Terre), le système d’imagerie CaSSIS développé par l’Université de Berne, a déjà obtenu plusieurs milliers d’images de la surface à haute résolution (4,6 mètres/pixel) et de grande qualité (vues stéréoscopiques et très grand nombre de nuances de couleurs qui permet de bien distinguer les différences de relief et de minéralogie ainsi que les nuages ou la glace). La caméra est montée sur un cardan avec un degré de liberté qui permet de maintenir son axe optique perpendiculaire à la surface mais la plus grande nouveauté qu’apporte l’instrument est son mécanisme de rotation qui permet de faire pivoter la caméra de 180°. Jusqu’à présent les photos du sol n’étaient prises qu’à la verticale et les vues « inclinées » étaient déduites de ces photos grâce aux altimètres embarqués. Combiné à sa forte résolution (dépassée seulement par la caméra HiRISE de l’orbiteur MRO), cela permet à CaSSIS de réaliser des photos en relief d’une résolution verticale de seulement 5 mètres. Ces images doivent permettre de préciser les nombreux mécanismes géologiques qui ont contribué, et dont certains contribuent toujours, à façonner la surface de Mars. Plus précisément, puisque cela répond à la justification de la mission ExoMars, elles sont utilisées pour rechercher et identifier les sources mais aussi les puits d’absorption potentiels des gaz libérés dans l’atmosphère martienne et détectés par les instruments également embarqués sur TGO, que sont les spectromètres infrarouges et ultraviolet NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery) et ACS (Atmospheric Chemistry Suite). Elles permettent de ce fait d’étudier aussi les processus dynamiques à l’œuvre à la surface de Mars – sublimation, érosion, volcanisme – susceptibles d’être à l’origine de la libération de ces gaz.

L’orbite de TGO est inclinée de 74° par rapport à l’équateur, ce qui permet d’observer presque la totalité de la surface de la planète (sauf bien sûr au-dessus des latitudes 74° Nord et Sud).

Le Dr Pommerol est “Co-Investigator” pour l’instrument CaSSIS au sein du Département « Space Research & Planetary Sciences » de l’Institut de Physique de l’Université de Berne. Il est docteur en planétologie, diplômé en 2009 de l’Université de Grenoble, et travaille actuellement dans l’équipe du Professeur Nicolas Thomas (chef de l’Institut et “Principal Investigator” de CaSSIS). Sa thèse portait sur l’ « étude expérimentale des signatures spectrales de minéraux hydratés et implications pour l’interprétation des données OMEGA/MEx* de la surface martienne ».

*embarqué à bord de Mars Express, orbiteur de l’ESA toujours en fonction autour de Mars.

Je parlerai quant à moi des motivations de la Mars Society.

Nous soutenons sans réserve la recherche robotique du Dr Pommerol, de l’Université de Berne et de l’ESA, puisque nous encourageons les scientifiques à parvenir à une connaissance aussi parfaite que possible de cet autre monde qu’est la planète Mars.

Ce dernier nous intéresse pour pouvoir mieux comprendre ce que sont les planètes autres que la Terre situées dans un contexte spatial assez semblable (ressemblances et différences). Mars a certes une masse plus faible (0,107) que la Terre, elle est située juste à la limite de notre zone d’habitabilité de notre système solaire et elle ne génère plus de magnétosphère depuis bien longtemps. Mais l’irradiance au niveau de son orbite est encore assez élevée (un peu moins de la moitié de celle existant au niveau de l’orbite terrestre), c’est une planète tellurique et elle a bénéficié pendant la première partie de son histoire géologique, d’une atmosphère épaisse et d’une abondance d’eau liquide comparable à celle de la Terre.

Elle nous intéresse aussi comme base possible d’un établissement humain. Cet établissement pourrait mener au sol une recherche géologique et planétologique beaucoup plus efficace que les robots que nous avons envoyés jusqu’à présent puisque des robots commandés en direct à partir de cet établissement n’importe où à la surface de la planète, pourraient agir et réagir en temps réel, ce qui est impossible aujourd’hui compte tenu de la vitesse de la lumière et de la distance entre les deux planètes (de 56 à 400 millions de km).

Par ailleurs nous pensons que l’humanité aurait tout à gagner d’un établissement en dehors de de la Terre. Cet établissement pourrait tester toutes sortes de technologies adaptées aux environnements extrêmes et ces technologies pourraient ensuite être transposées sur Terre pour moins dépenser d’énergie ou mieux recycler nos ressources rares. Cet établissement serait aussi une nouvelle bouture pour l’humanité « en dehors de son berceau » et, dans la mesure où il gagnerait de plus en plus d’autonomie en utilisant les ressources locales (comparables à celles de la Terre), il pourrait nous offrir un jour en tant qu’espèce, la possibilité d’échapper aux vicissitudes de notre évolution sur Terre. Ceci n’est pas négligeable dans la période très difficile qui s’annonce en raison de l’explosion démographique toujours en cours et qui va peser très lourdement sur nos ressources et donc sur nos relations sociales et politiques.

Illustration de titre :

Photo du cratère Korolev, empli de glace permanente. Crédit : ESA/Roscosmos/CaSSIS/UniBE. Korolev est un cratère de 81 km de diamètre situé à 73° de Latitude Nord dont la particularité est d’être rempli de glace d’eau sur toute sa surface et sur une profondeur atteignant 1,8 km au centre (résolution de 5,08 mètres).

Image ci-dessous :

Relief riche en couches stratifiées dans le chasme Juventae (un peu au Nord du centre de Valles Marineris). Crédit : ESA/Roscosmos/CaSSIS/UniBE

Photo de l’instrument CaSSIS avant sa mise à bord du TGO (Crédit : ESA/Roscosmos/CaSSIS/UniBE):

Liens :

Interview du Professeur N. Thomas sur le site de l’ESA,:

https://exploration.esa.int/web/mars/-/56788-an-interview-with-nicolas-thomas-principal-investigator-of-cassis

SNSN : http://www.unine.ch/snsn

Antoine Pommerol :

https://www.space.unibe.ch/about_us/personen/dr_pommerol_antoine/index_eng.html

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