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Comment les télescopes spatiaux dévoilent les mystères du cosmos

Entre les galaxies, matière noire et poussière interstellaire

Isabelle Dumé, journaliste scientifique
Le 17 novembre 2021 |
4 mins de lecture
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Entre les galaxies, matière noire et poussière interstellaire
David Elbaz
David Elbaz
astrophysicien et directeur scientifique du département d'astrophysique du CEA
En bref
  • Les télescopes spatiaux nous permettent la récolte de données sur l'Univers inaccessibles et invisibles depuis le sol terrestre.
  • Ces observations nous donnent des connaissances plus approfondies sur la composition de l'espace ; par exemple, on sait aujourd'hui que les galaxies flottent dans une matière appelée plasma, et qu'elles perdent une partie de leur matière par le biais des vents galactiques.
  • Ces nouvelles façons d’observer nous poussent à des innovations techniques, qui peuvent être bénéfiques pour des objets du quotidien comme les téléphones portables.

Chaque fois que nous ouvrons une nou­velle fenêtre sur le cos­mos, c’est-à-dire sur cer­taines couleurs ou régions du spec­tre élec­tro­mag­né­tique dans le ciel, nous décou­vrons de nou­veaux objets et étoiles. C’est parce que nous avons accès à toute une gamme de longueurs d’onde totale­ment inac­ces­si­bles depuis le sol. Par exem­ple, la pre­mière fois que nous avons envoyé un satel­lite pour observ­er l’Univers en rayons X, dans les années 1960, nous avons décou­vert des tach­es dans le ciel dont l’origine était incon­nue et qui se sont avérées être du plas­ma chauf­fé à plusieurs mil­lions de degrés. Ces tach­es indi­quaient la présence de « mégapoles » dans l’Univers : de « villes » habitées par des cen­taines de galaxies.

Ce plas­ma est la matière dans laque­lle flot­tent les galax­ies, il est totale­ment invis­i­ble depuis le sol. Lorsque nous étu­dions cette source de ray­on­nement, nous décou­vrons un cer­tain nom­bre de choses : la tem­péra­ture de ce gaz est directe­ment liée à la masse qui est con­tenue dans la méga­pole ; et il abrite dix fois plus de masse que tout ce qui ray­onne de la lumière vis­i­ble. C’est l’une des preuves de l’existence d’une forme de matière noire dans l’Univers.

Exploiter le spectre électromagnétique pour observer l’espace

Grâce à l’astronomie en rayons X, nous avons égale­ment décou­vert que le fer existe entre les galax­ies. Cet élé­ment, selon les con­nais­sances actuelles, ne peut être créé que lors de l’explosion d’une étoile, et notam­ment au cœur des étoiles les plus mas­sives. Or, entre les galax­ies, il n’y a pas d’étoiles. Cette obser­va­tion apporte donc la preuve que les galax­ies doivent per­dre une par­tie de leur matière, sous la forme de ce qu’on appelle les vents galac­tiques. Ces vents provi­en­nent des explo­sions d’étoiles à l’intérieur des galax­ies, qui pro­jet­tent leur matière à l’extérieur de celles-ci, en ali­men­tant ain­si le plas­ma avec leurs atom­es de fer.

L’autre extrémité du spec­tre élec­tro­mag­né­tique, l’infrarouge, est une autre zone pra­tique­ment inac­ces­si­ble depuis le sol et pour laque­lle il faut envoy­er des satel­lites dans l’espace. IRAS (Infrared Astro­nom­i­cal Satel­lite), un satel­lite améri­cain lancé en 1985, a été le pre­mier à observ­er l’Univers aux longueurs d’onde infrarouges. Il a fait une décou­verte éton­nante : ce qui appa­rais­sait comme des « trous » dans le ciel était en fait les régions de matière les plus dens­es et les plus con­cen­trées de la Voie lac­tée, des nuages molécu­laires géants com­posés d’atomes, de molécules, de grains de pous­sière. En somme, des lieux où nais­sent les nou­velles généra­tions d’étoiles.

Cette pous­sière inter­stel­laire, qui rend opaques les régions qui absorbent la lumière des étoiles, est chauf­fée à une tem­péra­ture d’environ 40 degrés au-dessus du zéro absolu, c’est-à-dire ‑230 °C, et ray­onne dans l’infrarouge. Dans notre lab­o­ra­toire au CEA, nous avions dévelop­pé des détecteurs pour l’infrarouge, ce qui nous a per­mis de créer la caméra de l’ISO (Obser­va­toire Spa­tial Infrarouge), un satel­lite européen lancé en 1995. Les obser­va­tions de l’ISO ont démon­tré qu’il exis­tait des régions, dans lesquelles des étoiles étaient nées dans la Voie lac­tée, qui n’avaient pas été détec­tées. Une analyse plus poussée a révélé qu’en fait, tout au long de l’histoire de l’Univers, la majorité des nais­sances d’étoiles nous avaient échappé.

Ce satel­lite a été suivi par Spitzer (Space Infrared Tele­scope Facil­i­ty), un satel­lite améri­cain, en 2003 et par Her­schel, de l’Europe, en 2009. Là encore, notre lab­o­ra­toire a con­stru­it l’une des caméras les plus util­isées sur Herschel.

Les progrès de la recherche sur les matériaux pour l’espace profitent à des applications sur Terre

Les téle­scopes spa­ti­aux ont la par­tic­u­lar­ité que tous les com­posants élec­tron­iques embar­qués sur leurs cap­teurs doivent résis­ter aux con­di­tions dif­fi­ciles du cos­mos. Ils doivent notam­ment être résis­tants aux rayons cos­miques. Ils doivent égale­ment être robustes aux vibra­tions. Même les vis util­isées dans ces satel­lites sont spé­ciale­ment conçues pour l’espace afin de résis­ter au froid. Il s’agit donc d’un tout nou­veau type de tech­nolo­gie que nous dévelop­pons et améliorons en permanence.

Cette quête de matéri­aux per­for­mants pour l’espace fait pro­gress­er la recherche en sci­ence des matéri­aux et des détecteurs. Par exem­ple, lorsque nous avons observé des objets d’une lumi­nosité extrême­ment faible, nous avons réal­isé que nous devions dévelop­per des caméras capa­bles de cap­tur­er quelques pho­tons (les par­tic­ules de lumière). Dans la vie de tous les jours, il n’y avait aucune rai­son de faire cela, mais pour observ­er les étoiles dans l’Univers, c’était indispensable.

Aujourd’hui, nous nous ren­dons compte que c’est utile d’avoir de tels détecteurs parce que quand nous avons une petite ouver­ture, comme c’est le cas dans nos télé­phones porta­bles, il faut avoir des détecteurs capa­bles de capter très peu de lumière et, mal­gré cela, de pro­duire une très bonne image. Donc, une bonne par­tie des dis­posi­tifs optiques et des détecteurs que l’on trou­ve aujourd’hui dans les télé­phones et autres appareils ont béné­fi­cié de l’exploration spatiale.

« La plus belle ruse de la lumière »

Ce qui m’a le plus sur­pris, c’est que lorsque j’étudie l’Univers, depuis les temps les plus reculés jusqu’à aujourd’hui, ce que je vois sem­ble être en totale con­tra­dic­tion avec ce que nous apprenons en physique — à savoir que le deux­ième principe de la ther­mo­dy­namique con­duit à une aug­men­ta­tion de l’entropie, ou du désor­dre. Cer­tains dis­ent que c’est la con­séquence logique du fait que l’évolution naturelle de l’Univers est d’aller vers de plus en plus de désor­dre. En réal­ité, ce que nous obser­vons, c’est que l’entropie aug­mente non pas par le désor­dre, mais par la pro­duc­tion de lumière. Il est beau­coup plus effi­cace pour la matière de s’organiser en for­mant des struc­tures com­plex­es, qui vont à leur tour pro­duire de l’entropie sous forme de lumière, que d’être désor­don­née. Mon livre « La plus belle ruse de la lumière » racon­te com­ment l’histoire de notre Univers est basée sur la struc­tura­tion de la matière en de telles struc­tures de plus en plus complexes.