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Combien de photons ont été émis par toutes les étoiles de l'univers observable depuis ses origines ?

Question/RéponseClassé sous :cosmologie , fond de lumière diffuse extragalactique , Rayon gamma

Il existe une sorte de brouillard diffus de photons entre les galaxies, distincts de ceux du fameux rayonnement fossile, car plus énergétiques et produits par les étoiles dans les galaxies depuis le début de leur formation. On peut estimer le nombre de ces photons grâce à une méthode ingénieuse basée sur les rayons gamma émis par les blazars.

Le cosmos observable - ce qui ne préjuge ni de la taille réelle de l'Univers ni de l'existence d'un avant-Big Bang - est âgé d'environ 13,8 milliards d'années si l'on en croit, par exemple, les données disponibles dans le rayonnement fossile étudié grâce au satellite Planck. Mis à part les photons de cette plus vieille lumière que l'on observe dans le domaine des micro-ondes, on sait qu'il en existe d'autres, présents dans un fond de lumière diffuse extragalactique (en anglais extragalactic background light ou EBL).

Ces photons sont dans une bande de fréquences, et donc d'énergies, comprises entre celles des rayons infrarouges et ultraviolets. Ils ont été émis par les étoiles et en partie aussi par les astres compacts accrétant de la matière dans les galaxies, pour leur immense majorité. On peut se poser la question de l'estimation de tous ceux qui ont été émis depuis l'allumage des premières étoiles dans ce cosmos observable. Mais comment mesurer ce nombre ?

Les astrophysiciens ont trouvé une méthode ingénieuse dans ce but et ils l'appliquent depuis plusieurs années en utilisant les télescopes gamma comme Hess sur Terre et Fermi dans l'espace. Ils sont ainsi arrivés tout dernièrement au nombre littéralement astronomique de 4 x 1084 photons, soit un 4 suivi de 84 zéros, c'est-à-dire plus concrètement :

4,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

L'idée d'utiliser des photons gamma permet de s'affranchir du brouillage résultant des propres émissions de lumière de notre Voie lactée, résultant des étoiles et des nuages de poussières. Voilà comment cela fonctionne.

Illustration de l'effet de la lumière diffuse sur les rayons gamma provenant d'un quasar lointain, avant leur arrivée sur Terre. Une fraction des rayons gamma est absorbée lors des collisions avec les photons du EBL, qui est produit par toutes les étoiles et les galaxies de l'Univers. Si la densité des photons du EBL est grande (figure du haut), l'absorption est grande et les rayons gamma les plus énergétiques sont perdus. La distribution de l'énergie des rayons gamma (ou spectre) est alors fortement modifiée. En revanche, si la densité est faible (graphe du bas), l'absorption est moindre et le spectre observé n'est que peu modifié. © IN2P3

Les quasars et le fond de lumière diffuse extragalactique

Les quasars sont des sortes de balises cosmiques que l'on peut repérer de loin dans l'Univers observable parce qu'ils sont formidablement lumineux. Il s'agit de trous noirs supermassifs en rotation accrétant de la matière et émettant des jets de particules. Lorsque ces jets sont dirigés plus ou moins dans notre direction par hasard, les quasars prennent le nom de blazars. Ce sont des sources de rayons gamma et comme toutes les sources, elles ont un spectre caractéristique qui donne le nombre de photons émis dans une fréquence donnée.

Ces photons gamma sont très énergétiques, tellement que lors de leur voyage entre les galaxies et en entrant en collision avec les photons de l'EBL, ils conduisent à la production de paires de particules et d'antiparticules, en l'occurrence des électrons et des positrons, selon un processus de théorie quantique des champs, décrit par les travaux de John Wheeler et Gregory Breit. Le résultat final est que le spectre gamma des blazars se dépeuple en photons à une fréquence donnée d'autant plus que le brouillard de photons de l'EBL est important.

On peut donc déduire, en quelque sorte, la densité de ce brouillard et donc le nombre de photons produits par toutes les étoiles du cosmos observable. On sait qu'ils sont majoritairement dans la bande qui va de l'infrarouge à l'ultraviolet, à cause de la nature même des étoiles.

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