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L’histoire cosmique de la formation des étoiles à partir des photons infrarouges.

Dossier - Lorsque l'Univers formait des étoiles
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Lorsque nous observons les astres, nous avons l’impression que tout bouge. Mais nous savons bien, depuis Copernic, que ce mouvement est essentiellement dû à la rotation de la Terre sur son axe qui produit un mouvement apparent du Soleil, de la Lune et des étoiles dans le ciel. Un deuxième mouvement, à l’échelle de l’année, est dû à la rotation de la Terre autour de notre étoile le Soleil.

  
DossiersLorsque l'Univers formait des étoiles
 

Cette vision de l'Univers avait à peine eu le temps de s'installer qu'une difficulté a surgi. Le résultat précédent était essentiellement basé sur des mesures provenant de photons ultraviolets qui sont produits par les étoiles jeunes.

Maquette du satellite Herschel. © Pline - CC BY-SA 3.0

Malheureusement, la situation n'est pas aussi simple que cela : une partie de ces étoiles jeunes se trouvent dans des nuages de poussière et ces grains de poussière ont la mauvaise idée d'être opaques à la lumière ultraviolet et d'empêcher les photons ultraviolets d'arriver jusqu'à nos télescopes directement. Ce qui veut simplement dire que nous ne mesurons qu'une partie des étoiles jeunes formées dans l'Univers. La grande question est combien ?

Figure 7 : Les étoiles jeunes émettent des photons ultraviolets que nous pouvons détecter avec les télescopes spatiaux. Si ces étoiles jeunes se trouvent dans des nuages de poussière, ils chauffent les grains de poussière qui ré-émettent ensuite des photons infrarouges. Pour mesurer correctement le taux de formation d’étoiles, il faut donc utiliser à la fois les photons ultraviolets et les photons infrarouges. Le satellite Hubble peut détecter les photons ultraviolets et le satellite Herschel qui va être lancé en 2009 peut détecter les photons infrarouges. La combinaison de ces deux télescopes ou d’autres fonctionnant dans les mêmes domaines de longueur d’onde est donc essentielle.

Dans notre malheur, nous avons de la chance. Ces photons ultraviolets « perdus » à cause de la poussière, nous pouvons les récupérer dans l'infrarouge (Figure 7). En effet, le phénomène physique est le suivant. Les photons ultraviolets interceptés par les grains de poussière se « vengent » en chauffant ces derniers qui, ré-émettent des photons dans l'infrarouge. Pour avoir une idée du nombre total de photons ultraviolets émis par les étoiles jeunes, il « suffit » donc d'appliquer une recette qui utilise à la fois les photons ultraviolets et les photons infrarouges ... et nous nous apercevons alors que nous avions initialement « oublié » une partie de nos photons émis par les étoiles. Ce facteur correctif dépend de la distance des galaxies observées. Dans l'univers local, la moitié se trouve dans l'infrarouge et la moitié dans l'ultraviolet. Mais à z = 1, 80% se trouve dans l'infrarouge et seulement 20% dans l'ultraviolet. À plus grande redshift, les mesures sont encore très incertaines.

Il reste, toutefois un problème majeur : si les photons ultraviolets peuvent être observés en provenance de galaxies très lointaines grâce au HST et aux grands télescopes au sol, nous n'avions, jusqu'à présent, que des moyens relativement limités pour collecter des photons infrarouges (les satellites SPITZER (USA) et AKARI (Japon) sont relativement petits). Comment aller chercher cette information essentielle pour mesurer les photons infrarouges qui proviennent des galaxies les plus lointaines ?

Heureusement, il y a … Herschel !

Télescope Herschel (en haut) et Planck (en bas)

Ou plutôt le télescope spatial Herschel (3,5m de diamètre) qui sera, après son lancement cette année, le plus grand télescope spatial - plus grand que HST (2,4m de diamètre). Il nous permettra de détecter des galaxies dans l'infrarouge et donc d'avoir une mesure non biaisée (c'est-à-dire qui tienne compte non seulement des photons ultraviolets mais également des photons infrarouges) de l'histoire de la formation des étoiles dans l'Univers.