Pourquoi les planètes les plus grosses gravitent autour des étoiles les plus massives ?

La détection de milliers d’exoplanètes depuis près de trois décennies permet de dégager des tendances sur la répartition des planètes en fonction des étoiles. L’une d’elles est que les planètes les plus grosses sont souvent en orbite autour d’étoiles plus massives. Une nouvelle étude offre une explication à ce mystère.

Les personnes de grande taille ont souvent des parents de grande taille, alors que les personnes de petite taille, généralement pas. Ce constat immémorial trouva son explication dans la génétique. À certains égards, les étoiles et les planètes ont des relations similaires. Par exemple, les étoiles sont plus vieilles que leurs planètes, elles sont plus grosses et contrôlent une grande partie de ce qui arrive aux planètes qu’elles hébergent. Mais jusqu’où cette analogie est-elle valable ? Les étoiles « transmettent-elles » certaines de leurs caractéristiques aux planètes qui les orbitent, par exemple leur taille ? Les résultats d’une nouvelle étude publiée dans la revue Astronomy & Astrophysics suggèrent que c’est au moins en partie vrai.

Une énigme cosmique
Michael Lozovsky, premier auteur de l’étude, ancien doctorant à l’université de Zurich et associé au Pôle de recherche national (PRN) suisse PlanetS, explique : « au cours des dernières années, les astronomes ont découvert que les étoiles plus massives ont tendance à héberger des planètes plus grandes. Bien que cela semble intuitif à première vue, la raison derrière cela n’est pas évidente et il n’y a pas eu de tentatives rigoureuses pour l’expliquer. »

Contrairement aux enfants, les planètes ne sont pas « enfantées » par leur étoile. Elles se forment à partir du même gaz et de la même poussière, avec un certain retard – les étoiles commencent à se former plus tôt -, mais l’étoile n’est souvent pas mature lorsque les planètes commencent à apparaître. Une forme de « patrimoine », comme chez l’être humain, n’est donc pas la raison pour laquelle les étoiles massives hébergent des planètes plus grandes.

Mais les trois théories suivantes, que Lozovsky et ses collègues ont formulées, pourraient expliquer le modèle.

Les planètes autour d’étoiles plus massives sont plus chaudes : les étoiles plus grosses sont plus chaudes et émettent plus d’énergie que les étoiles plus petites. Cela réchauffe plus fortement les planètes environnantes et, à mesure que les planètes deviennent plus chaudes, elles gonflent et deviennent plus grosses.

Les planètes autour d’étoiles plus massives sont plus massives : puisque la taille d’une planète augmente avec sa masse, il se pourrait que les étoiles plus massives hébergent des planètes plus grosses simplement parce que les planètes elles-mêmes sont également plus massives.

Les planètes autour d’étoiles plus massives ont des atmosphères plus légères : l’atmosphère entourant la planète peut également être un facteur important pour sa taille. Si les étoiles plus grandes ont tendance à héberger des planètes avec des atmosphères constituées de gaz légers tels que l’hydrogène et l’hélium, cela pourrait également expliquer leur plus grande taille et la tendance observée.

Des gaz légers pour des grosses planètes
À l’aide des bases de données de la Nasa, l’équipe a d’abord examiné les informations disponibles sur des milliers de planètes, comme la température et la taille. « Si les planètes plus grandes étaient effectivement plus chaudes, cela aurait été visible dans les données. Cependant, ce que nous avons trouvé était le contraire : les planètes les plus chaudes sont parfois encore plus petites, possiblement parce que le fort rayonnement stellaire évapore une partie de leur atmosphère », explique Lozovsky.

Tester les deux autres théories nécessitait plus que des statistiques. « À l’aide de modèles informatiques dédiés, nous avons simulé l’évolution de la taille des planètes lorsque leur masse augmentait », explique Lozovsky. Ce que l’équipe a découvert, c’est que les planètes ne deviennent pas significativement plus grosses pour une masse ajoutée donnée, mais qu’elles deviennent plutôt plus denses. Par conséquent, les chercheurs ont également rejeté cette explication et se sont retrouvés avec la troisième théorie, affirmant que la plus grande taille des planètes provient de parts plus élevées de gaz légers. « Cette fois, nous avons trouvé un signal clair : la variation de la composition des planètes a eu un effet important sur leur taille et pourrait donc expliquer la relation observée avec la masse des étoiles. Cela nous indique également que les étoiles plus grandes ont tendance à héberger des planètes avec des atmosphères plus massives », rapporte le chercheur.

« Les résultats nous aident non seulement à estimer quels types de planètes sont susceptibles d’orbiter autour d’une étoile donnée, mais pourraient également nous aider à combler des lacunes dans notre compréhension de la formation des planètes », explique Ravit Helled, coauteure de l’étude, membre du PRN PlanetS et professeur d’astronomie informatique à l’université de Zurich. Sur la base de leurs découvertes, les chercheurs concluent que les planètes autour des étoiles plus grandes ont tendance à collecter des gaz plus rapidement au cours de leur formation. Ceci est important, car le gaz et la poussière à partir desquels les planètes se forment commencent à s’évaporer à mesure que l’étoile grandit et rayonne plus fortement. Ainsi, les planètes n’ont qu’un temps limité pour grandir et acquérir ce dont elles ont besoin pour leur existence future – un peu comme les enfants, dont on attend qu’ils finissent par voler de leurs propres ailes.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-planetes-plus-grosses-gravitent-autour-etoiles-plus-massives-93266/

Une simulation montre comment obtenir une galaxie spirale comme la Voie lactée

Petit à petit, les astronomes comprennent mieux comment notre Univers s’est structuré pour ressembler à ce que nous en voyons aujourd’hui. Une nouvelle simulation informatique nous apprend comment des collisions entre galaxies ont donné naissance à des galaxies spirales comme la nôtre.

La galaxie dans laquelle nous vivons est une galaxie dite spirale. Elle s’est formée il y a des milliards d’années. Des chercheurs de l’université de Lund (Suède) se sont servis d’étoiles de notre Voie lactée comme autant de capsules temporelles pour reconstruire l’histoire de sa formation.

Rappelons que notre Univers est apparu il y a quelque 13,8 milliards d’années. Il a « rapidement » — à l’échelle cosmologique — formé des étoiles et était le siège de collisions violentes entre les jeunes galaxies. Une époque chaotique qui a ensuite laissé place à plus de stabilité. Les astronomes, eux, ont peiné à comprendre comment des galaxies embryonnaires très agitées ont pu se muer en galaxies spirales ordonnées.

Des collisions de galaxies
Pour faire la lumière sur ces processus, donc, les chercheurs de l’université de Lund ont étudié des étoiles de la Voie lactée. Leurs positions, leurs vitesses de déplacement, leurs compositions chimiques sont autant d’éléments qui trahissent leur passé et l’environnement dans lequel elles se sont formées. Des simulations informatiques ont fait le reste. Offrant aux astronomes une image détaillée de la manière dont les galaxies ont évolué en galaxies spirales depuis le Big Bang.

« Lorsque deux grandes galaxies entrent en collision, un nouveau disque se crée autour de l’ancien en raison des énormes afflux de gaz stellaire. Notre simulation montre que l’ancien et le nouveau disque fusionnent lentement, sur une période de plusieurs milliards d’années pour former une galaxie spirale », explique Florent Renaud, astronome, dans un communiqué. Une découverte qui devrait éclairer les chercheurs qui tentent d’interpréter les cartographies actuelles et futures de notre Voie lactée.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/galaxie-simulation-montre-obtenir-galaxie-spirale-comme-voie-lactee-93244/

Pour la première fois, on a détecté un trou noir engloutissant une étoile à neutrons

Les détecteurs d’ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont à deux reprises repéré ce type d’événement fugace – quelques dizaines de secondes –, survenu il y a un milliard d’années, et qui apporte de nouveaux indices sur l’évolution de l’Univers.

L’astronomie s’apparente parfois à la zoologie. Elle observe de nouveaux astres, comme on découvre de nouvelles espèces. Le 5 et le 15 janvier 2020, des astronomes ont ainsi repéré un objet inédit, comme ils l’ont annoncé le 29 juin dans The Astrophysical Journal Letters. Pour la première fois a été observé un couple formé d’un trou noir et d’une étoile à neutrons, en train de spiraler l’un autour de l’autre.

Séparément, des représentants de ces deux familles avaient déjà été vus. Un trou noir, un astre si dense qu’il empêche toute matière et même toute lumière de s’échapper de son attraction, a même été photographié pour la première fois en 2019. De même, des étoiles à neutrons, qui concentrent la masse d’un ou deux équivalents de notre Soleil dans une sphère d’une dizaine de kilomètres de rayon seulement, sont régulièrement observées dans notre galaxie, sous forme de « phares » pulsant leur rayonnement comme des métronomes. D’où leur nom de pulsars. Les deux objets sont en fait les restes d’étoiles très massives qui, à court de carburant, s’effondrent sur elles-mêmes.

Mais jamais ces deux poids lourds, au comportement d’ailleurs encore mystérieux pour les physiciens, n’avaient été vus en paire. En 2015, deux trous noirs avaient été surpris ensemble se tournant autour jusqu’à ne former plus qu’un. Puis en 2017, le ballet de deux étoiles à neutrons avait été observé. « Mais une binaire d’étoile à neutrons et de trou noir manquait à notre tableau de chasse. On est contents de l’avoir trouvée ! On en a même vu deux », s’enthousiasme Astrid Lamberts, astrophysicienne du CNRS à l’Observatoire de la Côte d’Azur.

Source : https://www.lemonde.fr/sciences/article/2021/06/29/premieres-detections-d-etoile-a-neutrons-engloutie-par-un-trou-noir_6086211_1650684.html

Courbure de l’espace-temps et trous noirs : découverte de douze nouveaux mirages gravitationnels

Saint-Exupéry écrivait : « Les étoiles sont belles à cause d’une fleur que l’on ne voit pas ». Il n’imaginait alors certainement pas à quel point cette prose s’appliquerait à la récente découverte de douze nouveaux mirages gravitationnels – des « trèfles cosmiques à quatre feuilles » – par une équipe internationale d’environ 20 chercheurs, pour la plupart Belges et Français.

Ces « mirages cosmiques » sont en fait constitués des images multiples d’un seul et même objet d’arrière-plan : un trou noir supermassif engloutissant gaz et matière à un rythme effréné, équivalant à plusieurs dizaines de fois la masse de la terre par minute. Le cri d’agonie de ce gaz est une gigantesque production d’énergie et de lumière, faisant de ces ogres cosmiques appelés « quasars » des objets parmi les plus lumineux de l’Univers. Cette émission de lumière est due à l’échauffement du gaz lors de sa chute vers le trou noir, d’ordinaire difficile à détecter.

La lumière des quasars en question met une dizaine de milliards d’années à nous parvenir. Nous sommes les témoins contemporains de ce repas cosmique qui s’est déroulé lorsque l’Univers était âgé de deux à trois milliards d’années seulement, à une époque où ces trous noirs étaient encore entourés d’une quantité importante de gaz permettant de maintenir le processus d’accrétion actif. Ces nouvelles lentilles gravitationnelles ont une utilité toute particulière en cosmologie. En effet, elles permettent d’étudier la distribution de matière noire dans les galaxies déflectrices et, parmi d’autres méthodes, d’estimer le taux d’expansion de l’Univers, qui est encore à l’heure actuelle toujours sujet à de vifs débats et études.

Comment la lumière des quasars est démultipliée
Durant son long périple à travers le cosmos, il arrive que cette lumière rencontre une galaxie, c’est-à-dire un amas composé de centaines de milliards d’étoiles. Pour un alignement presque parfait entre le quasar, la galaxie et l’observateur, la galaxie joue alors le rôle de « lentille gravitationnelle » : elle amplifie la lumière du quasar d’arrière-plan et peut, dans certaines conditions, produire des images multiples et déformées de ce quasar.

Au premier abord, il peut être surprenant d’imaginer que cette galaxie agisse sur la lumière sans interaction directe avec elle, comme cela serait le cas pour une lentille optique classique via ses propriétés de réfraction. Une analogie commune à cette apparente contradiction est celle des mirages atmosphériques où après une chaude journée d’été, l’air au ras du sol est plus chaud que l’air situé un peu plus haut. Ce gradient de température produit alors une déviation des rayons lumineux, qui se traduit par l’observation de ce qui est probablement le plus connu des mirages : celle d’une étendue d’eau sur un paysage plat, le bleu du ciel se miroitant alors au travers de cette lentille atmosphérique.

Dans le cas des lentilles cosmiques, un autre type d’interaction est à l’œuvre. En effet, la relativité générale, élaborée par Albert Einstein au début du XXe siècle, nous apprend que la présence d’une masse déforme l’espace-temps en son voisinage, donnant de ce fait une explication formelle à l’origine des « forces gravitationnelles » qui rebutaient jusqu’alors les physiciens. Cette courbure locale de l’espace-temps affectant tout aussi bien les objets massifs que les objets dépourvus de masse, elle fait tout autant tomber les pommes sur terre qu’elle permet de dévier les rayons lumineux passant à proximité d’étoiles, de galaxies et même d’amas de galaxies. Cette courbure joue alors le rôle du gradient de température des mirages atmosphériques pour le cas des lentilles cosmiques, d’où leur nom de « lentille gravitationnelle ».

Les effets de telles lentilles peuvent être simulés de manière très réaliste au moyen d’une lentille en forme de pied d’un verre à vin : on peut produire de multiples images de la source d’arrière-plan (ici, pour une source ponctuelle) dans une simple expérience de laboratoire, représentée à gauche sur l’image. Certaines de ces images sont déformées et agrandies, de manière assez similaire à ce qui est observé pour le cas réel du mirage gravitationnel RXJ1131 (au centre). Enfin, dans le cas d’un alignement parfait entre la source, le déflecteur et l’observateur, tel qu’illustré par l’expérience de laboratoire à droite, un anneau de lumière peut être produit, anneau également observé parmi les lentilles gravitationnelles connues, où il prend le nom d’« anneau d’Einstein ».

Comment les astrophysiciens utilisent les lentilles gravitationnelles
Ces lentilles gravitationnelles ne sont pas qu’une curiosité observationnelle. Elles consacrent le génie humain dans la faculté qu’il a à comprendre et à modéliser le monde qui l’entoure.

Dans un article précurseur de 1964, Sjur Refsdal montra que le taux d’expansion de l’univers, la fameuse constante de Hubble-Lemaître, peut être mesuré grâce à l’observation des décalages vers le rouge (l’élongation de la longueur d’onde de la lumière, équivalent à un rougissement, est due à l’expansion de l’Univers) de la galaxie déflectrice et du quasar d’arrière-plan, ainsi qu’à la mesure du décalage temporel entre les moments d’arrivée d’un même signal observé dans les différentes images du mirage gravitationnel. En effet, les quasars alternant des périodes de jeûne et d’abondance, ces derniers peuvent présenter une luminosité intrinsèque variable. Les rayons lumineux issus du quasar suivent ensuite des chemins optiques différents, donc de longueurs différentes, et tout soubresaut de luminosité du quasar sera perçu de manière différée dans le temps dans chacune des images du mirage.

Dans le même article, Sjur Refsdal pose les premières briques de la détermination de la masse des galaxies déflectrices à partir de la position et de l’amplification associées à chacune des images du quasar. Par comparaison entre la masse de matière visible dans les galaxies et celle estimée sur base de la méthode des lentilles gravitationnelles, les scientifiques peuvent détecter la présence et étudier la distribution de matière noire au sein des galaxies déflectrices.

Source : https://theconversation.com/courbure-de-lespace-temps-et-trous-noirs-decouverte-de-douze-nouveaux-mirages-gravitationnels-161009

Bételgeuse : le mystère de son assombrissement est définitivement résolu

L’affaire durait depuis 2019, pendant quelques mois, la géante rouge Bételgeuse, presque un milliard de fois plus volumineuse que le Soleil, avait vu sa luminosité baissé d’environ 35 %. S’agissait-il d’un signe avant-coureur de son explosion en supernova ? Il ne semble pas car une explication plus prosaïque est aujourd’hui confirmée par des observations d’astronomes ayant utilisé des instruments du VLT de l’Eso.

L’Humanité connaît de longue date l’étoile Bételgeuse car c’est l’une des étoiles les plus brillantes de la constellation d’Orion. Mais c’est seulement au XXe siècle que l’on a pu connaître sa taille et elle fut même la première étoile dont le diamètre a été déterminé. En 1921, en effet, les astronomes Michelson et Pease utilisèrent la technique de la synthèse d’ouverture, imaginée par Hippolyte Fizeau, pour déterminer le diamètre apparent des étoiles par des méthodes interférométriques. Il devient alors clair que l’on était en présence d’une supergéante rouge presque mille fois plus grosse que le Soleil et, étant donné sa température de surface, cent mille fois plus lumineuse.

Les progrès fulgurants, après la Seconde Guerre mondiale, dans la théorie de la structure et de l’évolution stellaire, grâce au développement de l’astrophysique nucléaire, ont fait que Bételgeuse intéresse beaucoup les astrophysiciens car elle est susceptible de nous donner des clés pour comprendre plus précisément comment de telles étoiles, très massives, terminent leur vie au bout de seulement quelques millions d’années.

En effet, on sait depuis des dizaines d’années qu’il existe une relation entre la masse d’une étoile, sa luminosité et son temps de vie. Plus une étoile est massive, plus la température en son centre est élevée. Il en résulte que certaines réactions de fusion thermonucléaire sont possibles, dégageant les énormes quantités d’énergie nécessaires pour produire une pression de rayonnement capable de s’opposer à celle qui résulte de la propre gravité de l’étoile, en l’occurrence celles du cycle CNO.

Ce faisant, elle consomme son carburant thermonucléaire à un rythme si rapide que son temps de vie se compte en quelques millions d’années plutôt qu’en milliards d’années, comme c’est le cas pour le Soleil. Comme on estime que la géante rouge est née il y a environ 8 millions d’années, on a de bonnes raisons de penser que, dans quelques milliers ou centaines de milliers d’années très probablement, Bételgeuse explosera en supernova. Comme elle n’est située qu’à 640 années-lumière environ, l’explosion produira sur Terre un spectacle impressionnant, visible en plein jour.

Un caprice d’une étoile variable ou un nuage de poussières ?
Bételgeuse est donc très étudiée et, lorsque des observations fin 2019 et début 2020 ont commencé à montrer que l’astre devenait beaucoup moins lumineux, la nouvelle a été très médiatisée tandis que les astrophysiciens étaient devenus songeurs. Fallait-il craindre l’imminence de l’explosion de la géante rouge ? Comment de toute façon expliquer cette baisse de luminosité ?

Futura avait consacré de nombreux articles à cette question dont ceux que l’on peut lire sous celui-ci. L’astrophysicienne Sylvie Vauclair nous y rappelait notamment que la supergéante rouge est une étoile variable et que, pour cette raison, nous n’étions peut-être, et même probablement, que face à un de ses multiples cycles de variations et pas du tout en face des prémices de son explosion.

Sylvie Vauclair avançait une autre explication, moins probable, selon elle : « Bételgeuse, qui émet en permanence de forts vents stellaires, aurait émis une bouffée de gaz et de poussières particulièrement importante, qui la cacherait partiellement avant de s’évaporer complètement ».

Cette hypothèse était aussi envisagée par l’astronome Miguel Montargès, de l’Observatoire de Paris, en France, et de la KU Leuven, en Belgique. Avec son équipe, il avait eu recours aux instruments du VLT implanté au sommet du Cerro Paranal, au Chili, pour étudier Bételgeuse. Dans un communiqué de l’ESO, il expliquait travailler « actuellement sur deux scenarii : l’un repose sur un refroidissement de la surface généré par une activité stellaire exceptionnelle, l’autre sur l’éjection de poussière le long de la ligne de visée. Bien sûr, notre connaissance des supergéantes rouges demeure aujourd’hui encore incomplète. Des études sont en cours, une surprise est donc toujours susceptible de se présenter ».

La production de grains présolaires en direct
Miguel Montargès et l’astrophysicienne Emily Cannon, de la KU Leuven, reviennent aujourd’hui sur l’énigme de la baisse de luminosité de Bételgeuse dans un autre communiqué de l’Eso où ils font savoir qu’eux et leurs collègues pensent vraisemblablement avoir résolu l’énigme. La solution complète est exposée dans un article publié dans la célèbre revue Nature, et sans faire durer plus longtemps le suspens, il s’agirait bien de la formation rapide d’un nuage de poussières, à partir d’une bulle de gaz chaud, refroidie et condensée, produite par l’extraordinaire état convectif de Bételgeuse et qui a été éjectée par l’astre peu avant sa baisse de luminosité apparente.

Ce résultat est le produit d’observations faites en continuant à surveiller l’étoile depuis 2019 avec le VLT en mobilisant l’instrument Sphere (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch) pour obtenir une image directe de la surface de Bételgeuse, ainsi que les données de l’instrument Gravity du Very Large Telescope Interferometer (VLTI) afin de surveiller Bételgeuse tout au long de la diminution de sa luminosité ; ces observations se sont poursuivies aussi après avril 2020, période où l’étoile avait retrouvé sa luminosité normale. L’interprétation de ces observations va dans le même sens que celle tirée des données collectées par Hubble et dont Futura faisait état dans le précédent article ci-dessous.

Toujours est-il que « nous avons assisté en direct à la formation de ce que l’on appelle la poussière d’étoile », explique donc Miguel Montargès. Ce n’est pas anodin car, comme le mentionne aussi dans le communiqué de l’Eso, Emily Cannon : « La poussière expulsée des étoiles froides en fin de vie, comme celle dont nous venons d’être témoins, pourrait constituer les briques élémentaires des planètes telluriques et de la vie ».

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/etoile-betelgeuse-mystere-son-assombrissement-definitivement-resolu-79164/

Stupéfiant ! Les filaments cosmiques d’amas de galaxies seraient en rotation !

Depuis plus de 10 milliards d’années, les galaxies et les amas de galaxies se rassemblent pour former des sortes de filaments cosmiques interconnectés longs de centaines de millions d’années-lumière. Des observations soutiennent maintenant la thèse que ces filaments sont animés de mouvements de rotation qui les rendent torsadés. On ne sait pas encore très bien pourquoi mais certaines pistes sont prometteuses.

Les étoiles tournent, les galaxies spirales tournent, or il existe une loi de la physique qui s’appelle la conservation du moment cinétique. Des astres ne peuvent donc pas se mettre à tourner spontanément et il faut donc expliquer d’où provient leur rotation. Comme on peut associer des moments cinétiques à divers objets dont la somme doit se conserver, il est donc possible de faire intervenir des transferts entre ces différents moments cinétiques. Ainsi, le ralentissement de la rotation de la Terre du fait des forces de marée mutuelles avec la Lune conduit le moment cinétique orbital de notre satellite naturel à augmenter alors que le moment cinétique propre de notre Planète bleue diminue et que la Lune s’en éloigne donc.

Dans un nuage interstellaire moléculaire en cours d’effondrement, la matière devient turbulente et se fragmente en nuages plus petits en rotation dans différents sens alors que le nuage initial pouvait très bien ne pas être en rotation avec donc un moment cinétique total nul. Les cosmogonistes modernes cherchant à expliquer la naissance des galaxies et des grandes structures qui rassemblent ces galaxies en amas font également intervenir un effondrement gravitationnel.

Les grandes campagnes d’observations comme celle du Sloan Digital Sky survey (SDSS) nous ont permis de cartographier jusqu’à un certain point l’Univers observable en montrant que les amas de galaxies se rassemblaient au cours du temps dans des filaments enlaçant des sortes de bulles, des « vides cosmiques » beaucoup moins riches en galaxies et en gaz que ces filaments. L’échelle caractéristique de ces structures est de l’ordre de quelques centaines de millions d’années-lumière.

Les grandes structures cosmiques sont reproductibles par des superordinateurs

On sait reproduire grâce à des simulations numériques jusqu’à un certain point ces structures cosmiques (comme le montre la vidéo en tête d’article) en supposant que le Big Bang a produit en plus des particules baryoniques que composent les noyaux connus sur Terre et dans le Système solaire des particules dites de matière noire dont on sait seulement, pour l’essentiel et si elles existent, qu’elles ne doivent pas, ou pour le moins très peu, être capables d’émettre des rayonnements électromagnétiques.

Dominante en masse par rapport aux baryons, les distributions de particules de matière noire se seraient effondrées gravitationnellement les premières très rapidement, entrainant celles des distributions de baryons. Les premières simulations numériques n’utilisaient donc que des particules de matière noire car ce sont elles qui devaient produire les principaux effets et surtout, on ne disposait pas de la puissance de calcul nécessaire pour tenir compte de la rétroaction du comportement des baryons sur les distributions de matière noire et sur l’effondrement de la matière normale elle-même. Mais au cours du début du XXIe siècle, cela a changé et de plus en plus, les astrophysiciens ont pu introduire des effets comme ceux du souffle des explosions de supernovae ou encore des vents galactiques des trous noirs supermassifs. L’accord entre les observations et les simulations numériques n’a alors fait que s’améliorer, jusqu’au point par exemple de permettre la révolution du paradigme de la croissance des galaxies, basé désormais sur celui des courants froids.

Toutefois, en continuant à analyser les données du SDDS, en particulier celles donnant accès aux mouvements des galaxies dans les filaments cosmiques, des astronomes de l’Institut Leibniz d’Astrophysique de Potsdam (AIP) en Allemagne, en collaboration avec des collègues en Chine et en Estonie, pensent maintenant avoir fait une découverte étonnante et même fascinante.

Ils expliquent en effet dans un article publié dans le prestigieux journal Nature Astronomy, et pour une fois en accès libre, que des mesures de décalages Doppler vers le rouge et le bleu, subtilement analysées, ont révélé ce que personne n’avait encore vu. Non seulement on peut trouver des galaxies et des amas galactiques en rotation mais les filaments eux-mêmes, formés de galaxies et d’amas de galaxie, sont grossièrement en rotation sur des centaines de millions d’années-lumière alors qu’ils n’ont qu’un diamètre de l’ordre de quelques millions d’années-lumière.

Noam Libeskind, le cosmologiste initiateur du projet à l’AIP précise au sujet de cette découverte dans un communiqué de l’institut Leibniz que : « À ces échelles, les galaxies se comportent comme des particules de poussière. Elles se déplacent sur des orbites en forme d’hélices ou des tire-bouchons, virevoltant autour du milieu du filament tout en le longeant. Un tel mouvement de rotation n’avait jamais été vu auparavant à des échelles aussi énormes, et cela implique qu’il doit y avoir un mécanisme physique encore inconnu responsable de couples de force mettant en rotation ces objets ».

Tidal Torque Theory ou matière noire quantique superfluide ?

Que penser de l’affirmation dans la dernière phrase ? Remarquablement, et comme le signalent les auteurs de l’article dans Nature Astronomy, une autre équipe de chercheurs est arrivée, presque en même temps qu’eux, à la conclusion que les filaments cosmiques devaient exhiber des mouvements de rotation à grandes échelles, mais sur des bases théoriques cette fois.

Ainsi, Mark Neyrinck, de l’université du Pays basque, à Bilbao en Espagne, a mené des recherches avec ses collègues qui ont abouti à un article publié dans la célèbre Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). En étudiant les données générées par une fameuse simulation numérique avec des particules de matière noire, la Simulation du Millénaire (Millennium Simulation), ces chercheurs ont montré qu’il devait bien y avoir des mouvements tourbillonnant dans les filaments cosmiques et en avaient fait part à l’équipe de Noam Libeskind.

Selon eux, ces mouvements s’expliqueraient bien dans le cadre du modèle cosmologique standard et en faisant intervenir un mécanisme bien connu esquissé au début de cet article et que cosmologistes et astrophysiciens appellent la Tidal Torque Theory (TTT). Mais de quoi s’agit-il ?

Pour le comprendre, il faut rappeler que l’on a pensé un temps que la structure spirale des galaxies, et surtout leur rotation, était un reste d’un état de turbulence du fluide de matière initialement sous forme de plasma laissé par le Big Bang, et composé ensuite essentiellement d’hydrogène et d’hélium. C’est une idée qui avait été avancée par von Weizsacker (1947) et Gamow (1952). Mais comme l’explique le prix Nobel de Physique James Peebles dans son célèbre ouvrage Principles of Physical Cosmology, cette idée a été abandonnée, dans sa forme initiale en tout cas, car en contradiction avec les observations des prédictions que l’on en a tiré plus tard dans le cadre la théorie du Big Bang. Fred Hoyle, vers 1950, puis Peebles lui-même à partir de 1969, vont expliquer la rotation des galaxies par les effets de couple des forces de marée entre galaxies naissantes, précisément dans le cadre de la Tidal Torque Theory.

L’idée est, comme on l’a dit, de partir avec un nuage de matière inhomogène en effondrement gravitationnel. Il va se fragmenter en nuages plus petits pouvant devenir en rotation sur eux-mêmes parce que le moment cinétique total du nuage se répartit alors entre les nuages eux-mêmes en rotation et les mouvements orbitaux de ces nuages les uns autour des autres en interaction par des forces de marée comme c’est le cas entre la Terre et la Lune.

Toutefois, toujours dans le cadre du modèle cosmologique standard avec matière et énergie noire, Mark Neyrinck et ses collègues suggèrent également une autre piste basée sur l’hypothèse que la matière noire se comporte en fait comme un superfluide quantique. On sait qu’il peut se produire des phénomènes intéressants avec des lignes de tourbillons dans de tels superfluides par les expériences faites et les théories concernant l’hélium 4 superfluide.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/cosmologie-stupefiant-filaments-cosmiques-amas-galaxies-seraient-rotation-88029/

Une étoile clignote étrangement près au centre de la Voie lactée

Quelque part dans le centre de la Voie lactée, les astronomes ont découvert une drôle d’étoile. En avril 2012, elle a presque entièrement disparu du ciel. Puis elle est réapparue quelques mois plus tard. C’est la seule fois que VVV-WIT-08 a ainsi clignoté en 17 ans d’observation. Les chercheurs s’interrogent quant à la nature de l’objet qui l’a momentanément cachée à notre vue.

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Des étoiles dont la luminosité est changeante, ce n’est pas exceptionnel. Mais celle que les astronomes appellent VVV-WIT-08 a quelque chose de particulier. Des chercheurs, entre autres de l’université de Cambridge (Royaume-Uni), l’ont débusqué dans les données recueillies par le télescope Vista (Chili), exploité par l’Observatoire européen austral (ESO). Depuis des années, il observe un milliard d’étoiles, justement pour en pointer à la luminosité variable.

« Parfois, nous trouvons des étoiles variables qui n’entrent dans aucune catégorie établie. Nous les surnommons les objets « WIT » », raconte Philip Lucas, chercheur à l’université d’Hertfordshire (Royaume-Uni), dans un communiqué de l’université de Cambridge. Les astronomes ont, en l’occurrence, vu la luminosité de VVV-WIT-08 diminuer d’un facteur 30, jusqu’à presque la faire disparaître dans le ciel — elle a perdu 97 % de sa luminosité –, avant qu’elle s’illumine à nouveau plusieurs semaines plus tard.

Une nouvelle classe d’étoiles binaires ?
Comme VVV-WIT-08 est située près du centre de la Voie lactée, dans une région dense, les chercheurs ont d’abord pensé au passage inopiné d’un objet sombre devant l’étoile. Mais les simulations montrent que pour cela, il faudrait un grand nombre de tels objets flottant dans notre Galaxie.

Les chercheurs pensent donc que VVV-WIT-08 pourrait appartenir à une nouvelle classe de système d’étoiles binaires dites « géantes clignotantes ». Il s’agirait d’une étoile géante, 100 fois plus grande que notre Soleil, éclipsée une fois toutes les quelques décennies par un compagnon encore inconnu. Une étoile ou une planète, entourée d’un disque opaque capable d’éclipser l’étoile géante.

Notez qu’au moins deux autres systèmes semblables sont connus des astronomes. L’étoile géante Epsilon Aurigae est en partie éclipsée par un énorme disque de poussière tous les 27 ans. Elle ne s’assombrit alors toutefois que d’environ 50 %. Le système TYC 2505-672-1, quant à lui, détient le record actuel du système d’étoiles binaires à éclipses avec la plus longue période orbitale. 69 ans, ce n’est pas rien. Mais VVV-WIT-08 viendra-t-elle le détrôner ?

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/etoile-etoile-clignote-etrangement-pres-centre-voie-lactee-88008/?utm_source=pushB&utm_medium=sciences&utm_campaign=push

Science : que révèle la nouvelle carte de la matière noire sur le cosmos ?

Une équipe internationale de chercheurs a créé la carte la plus grande et la plus détaillée de la distribution de la matière dite noire dans l’Univers.

Les résultats sont surprenants car ils montrent qu’elle est légèrement plus lisse et plus étendue que ce que les meilleures théories actuelles prédisent.

L’observation semble s’écarter de la théorie de la relativité générale d’Einstein, ce qui pose une énigme aux chercheurs.

Les résultats ont été publiés par la Dark Energy Survey Collaboration.

La matière noire est une substance invisible qui imprègne l’espace. Elle représente 80 % de la matière de l’Univers.

Les astronomes ont pu déterminer où elle se trouvait car elle déforme la lumière des étoiles lointaines. Plus la distorsion est grande, plus la concentration de matière noire est importante.

Le Dr Niall Jeffrey, de l’École normale supérieure de Paris, qui a reconstitué la carte, indique que ce résultat pose un « vrai problème » pour la physique.

« Si cette disparité est vraie, alors peut-être qu’Einstein avait tort », explique-t-il à BBC News. « Vous pourriez penser que c’est une mauvaise chose, que la physique est peut-être brisée. Mais pour un physicien, c’est extrêmement excitant. Cela signifie que nous pouvons découvrir quelque chose de nouveau sur la façon dont l’Univers est réellement », dit-il.

Le professeur Carlos Frenk, de l’université de Durham, qui était l’un des scientifiques qui se sont appuyés sur les travaux d’Albert Einstein et d’autres pour développer la théorie cosmologique actuelle, confie qu’il avait des émotions mitigées en apprenant la nouvelle.

« J’ai passé ma vie à travailler sur cette théorie et mon cœur me dit que je ne veux pas la voir s’effondrer. Mais mon cerveau me dit que les mesures étaient correctes, et que nous devons envisager la possibilité d’une nouvelle physique », admet le professeur Frenk.

« Ensuite, mon estomac se crispe, car nous n’avons aucun terrain solide à explorer, car nous n’avons aucune théorie de la physique pour nous guider. Cela me rend très nerveux et craintif, car nous entrons dans un domaine totalement inconnu et qui sait ce que nous allons trouver », poursuit-il.

En utilisant le télescope Victor M Blanco au Chili, l’équipe à l’origine de ces nouveaux travaux a analysé 100 millions de galaxies.

La carte montre comment la matière noire s’étend dans l’Univers. Les zones noires sont de vastes zones de néant, appelées vides, où les lois de la physique pourraient être différentes. Les zones claires sont les endroits où la matière noire est concentrée. On les appelle « halos » car c’est en leur centre que se trouve notre réalité. En leur sein se trouvent des galaxies comme notre propre Voie lactée, qui brillent comme de minuscules joyaux sur une vaste toile cosmique.

Selon le Dr Jeffrey, qui fait également partie d’un département de l’University College London, la carte montre clairement que les galaxies font partie d’une structure invisible plus vaste.

« Personne dans l’histoire de l’humanité n’a été capable de regarder dans l’espace et de voir où se trouve la matière noire dans une telle mesure. Les astronomes ont été en mesure de construire des images de petites parcelles, mais nous avons dévoilé de nouvelles et vastes étendues qui montrent beaucoup plus de sa structure. Pour la première fois, nous pouvons voir l’Univers d’une manière différente ».

Mais la nouvelle carte de la matière noire ne montre pas tout à fait ce que les astronomes attendaient. Ils ont une idée précise de la répartition de la matière 350 000 ans après le Big Bang, grâce à un observatoire orbital de l’Agence spatiale européenne appelé Planck. Il a mesuré le rayonnement encore présent à ce moment-là, appelé le fond diffus cosmologique, ou plus poétiquement, la « lueur de la création ».

S’inspirant des idées d’Einstein, les astronomes, comme le professeur Frenk, ont élaboré un modèle pour calculer comment la matière devait se disperser au cours des 13,8 milliards d’années suivantes, jusqu’à aujourd’hui. Mais les observations réelles de la nouvelle carte sont fausses de quelques pour cent – elles montrent que la matière est répartie de manière légèrement trop uniforme.

En conséquence, le professeur Frenk pense que notre compréhension du cosmos pourrait connaître de grands changements.

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« Nous avons peut-être découvert quelque chose de vraiment fondamental sur le tissu de l’Univers. La théorie actuelle repose sur des piliers très sommaires faits de sable. Et ce que nous voyons peut-être, c’est l’effondrement de l’un de ces piliers. »

Mais d’autres, comme le professeur Ofer Lahav, de l’University College London, ont un point de vue plus conservateur.

« La grande question est de savoir si la théorie d’Einstein est parfaite. Elle semble passer tous les tests, mais avec quelques déviations ici et là. Peut-être que l’astrophysique des galaxies a juste besoin de quelques ajustements. Dans l’histoire de la cosmologie, il y a des exemples où les problèmes ont disparu, mais aussi des exemples où la pensée a changé. Il sera fascinant de voir si la « tension » actuelle en cosmologie conduira à un nouveau changement de paradigme », ajoute-t-il.

La collaboration DES regroupe plus de 400 scientifiques de 25 institutions dans sept pays.

Source : https://www.bbc.com/afrique/monde-57281845

Des ponts cachés de matière noire entre les galaxies de l’Univers local

La matière gouverne la dynamique de notre Univers. Les astronomes le savent. Et l’intelligence artificielle vient tout juste de leur permettre de mettre à jour ce qui ressemble à des structures filamenteuses constituées de l’énigmatique matière noire. Comme des ponts cachés entre les galaxies qui nous entourent. De quoi retracer l’histoire et entrevoir l’avenir de notre Univers local.

La matière noire, rappelons-le, est une matière insaisissable qui pourtant compose 80 % de notre Univers. Ce que l’on sait peut-être un peu moins, c’est qu’elle constitue également le squelette de ce que les cosmologistes appellent la toile cosmique. Cette structure à grande échelle qui influence le mouvement des galaxies.

Comme son nom l’indique bien, la matière noire reste invisible aux astronomes. Ils ne peuvent pas mesurer directement sa distribution. Pour s’en faire une idée, ils doivent étudier son influence gravitationnelle sur les objets qui peuplent l’Univers. Les galaxies, par exemple. Et la tâche se complique lorsque les chercheurs s’intéressent à sa distribution dans notre environnement proche. Car au fil du temps, la structure à grande échelle de notre Univers s’est complexifiée.

Des astrophysiciens avaient déjà tenté de cartographier la toile cosmique locale en partant d’un modèle d’Univers primitif et en le laissant évoluer pendant des milliards d’années. Une méthode gourmande en temps de calcul. Et qui avait échoué à donner des résultats détaillés. Cette fois, les chercheurs, parmi lesquels une équipe de l’université Penn State (États-Unis), ont adopté une approche totalement différente. Grâce à l’apprentissage automatique, l’intelligence artificielle, en somme, ils ont construit un modèle qui utilise des informations sur la distribution et le mouvement des galaxies pour prédire la distribution de la matière noire.

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Reconstitué l’histoire et lire l’avenir de l’Univers local
Les chercheurs ont ensuite appliqué leur modèle à des données réelles de l’univers local issues du catalogue de galaxies Cosmicflow-3. Il contient des données complètes sur la distribution et le mouvement de plus de 17.000 galaxies à proximité de la Voie lactée. À proximité de la Voie lactée signifiant tout de même dans un rayon de moins de 650 millions d’années-lumière.

Cette carte de la toile cosmique locale reproduit des structures connues de premier plan comme la « Feuille locale » — une région de l’espace contenant la Voie lactée et des galaxies voisines partageant la même vitesse particulière — et le « Vide local » — une région de l’espace relativement vide à côté du groupe local.

Mais la carte identifie surtout plusieurs nouvelles structures parmi lesquelles des filaments qui relient les galaxies. Comme des sortes de ponts cachés de matière noire. Et les astronomes espèrent désormais que l’étude de ces structures les aidera non seulement à élucider la nature de la matière noire, mais aussi à tirer des informations importantes sur le destin des galaxies. Puisque la matière noire contrôle la dynamique de l’Univers, ces ponts pourraient par exemple révéler si la Voie lactée et la galaxie d’Andromède, qui se rapprochent lentement l’une de l’autre, finiront par entrer en collision.

En ajoutant plus de galaxies à leur modèle, les chercheurs espèrent encore en améliorer la précision. Pour lire dans l’avenir de l’Univers local ou pour reconstituer fidèlement son passé.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-ponts-caches-matiere-noire-galaxies-univers-local-39938/

Découverte de la plus ancienne galaxie spirale connue

Pour mieux comprendre l’origine des galaxies, les cosmologistes et les astrophysiciens repoussent sans cesse les limites de leurs instruments. L’un des derniers en date, Alma, leur a permis de débusquer une galaxie spirale déjà bien développée alors que le cosmos observable n’avait que 1,4 milliard d’années.

On doit à Edwin Hubble une classification des galaxies qu’il a proposée et développée avant la seconde guerre mondiale. Elle comporte trois grands types. Il y a les spirales, contenant d’importantes quantités de gaz et de poussières, avec un disque où l’on trouve de jeunes étoiles et un bulbe plus ou moins important contenant des vieilles étoiles. Viennent ensuite les elliptiques, principalement constituées de vieilles étoiles et pauvres en gaz et poussières, qui ont une structure sphéroïdale. Et enfin les irrégulières, de plus petite taille et riches en jeunes étoiles.

Hubble avait aussi proposé une séquence d’évolution reliant ces galaxies qui aujourd’hui n’est plus acceptée. Le modèle simple qu’il avait avancé pour expliquer la naissance des galaxies et leur structure en disque et que l’on peut, par exemple, retrouver présenté dans le célèbre cours de l’Université de Berkeley sur la mécanique a gardé toutefois une certaine pertinence.

Bien sûr, de nos jours, nous avons des modèles beaucoup plus sophistiqués de la naissance des galaxies (proposés et développés par exemple par le prix Nobel de physique James Peebles), notamment parce que nous disposons d’un océan de données observationnelles dont Hubble et ses contemporains ne disposaient pas et qu’il nous est possible de les traiter avec des ordinateurs ou simplement des simulateurs autrement plus puissants que de son temps également.

Reste qu’il existe encore des énigmes concernant la naissance et l’évolution des galaxies, même si des perspectives nouvelles ont émergé depuis une décennie au point de constituer le paradigme dominant de nos jours, comme l’a expliqué à Futura le cosmologiste Romain Teyssier.

Le cosmos observable il y a 12,4 milliards d’années
Pour résoudre ces énigmes, on cherche donc à observer le tout début de la formation des galaxies et donc à remonter de plus en plus loin dans le passé à l’aide d’observations. L’une des dernières en date n’est autre qu’un record de distance pour une galaxie spirale cataloguée sous le nom de BRI 1335-0417.

C’est une équipe d’astrophysiciens japonais qui a récemment annoncé sa découverte via notamment un article dans Science et qui explique que la galaxie a été découverte grâce à l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma). Le réseau de radiotélescopes a capté des photons provenant de BRI 1335-0417 qui ont été émis alors que le cosmos observable n’était âgé que de 1,4 milliard d’années, il y a donc 12,4 milliards d’années, ce qui bat le précédent record dont Futura avait parlé dans le précédent article ci-dessous.

La taille de BRI 1335-0417 est intrigante, elle est déjà d’au moins 30.000 années-lumière de diamètre, soit un tiers de celle notre Galaxie qui est aussi une spirale. On peut suspecter qu’elle est encore plus grande et que nous n’avons pas encore la puissance pour observer ses bords externes car la formation stellaire y serait moins importante, ce qui les rendrait moins lumineux. Les chercheurs estiment toutefois que la jeune galaxie était déjà presque aussi massive que la Voie lactée.

De nouveau, on est confronté au problème de la croissance rapide des galaxies, ce qui a des implications sur les modèles qui peuvent en rendre compte. On sait notamment que le modèle avec des filaments de matière noire froide canalisant des courants d’hydrogène et d’hélium produit par le Big Bang permet justement de faire croître plus vite des galaxies que si l’on suppose que leur croissance se produit à l’occasion de fusion entre des galaxies naines, donnant des galaxies plus massives qui vont accréter à leur tour des galaxies naines et parfois entrer en collision avec d’autres galaxies géantes.

Ce qui est sûr, c’est que BRI 1335-0417 forme activement des étoiles et contient d’importantes quantités de poussières. Mais se pose alors le problème de savoir ce qu’elle est devenue de nos jours. Si les galaxies spirales sont des objets fondamentaux dans l’Univers, représentant jusqu’à 70 % du nombre total de galaxies, on pense toujours qu’à la suite de collisions elles deviennent des galaxies elliptiques pauvres en gaz et en poussières, ce qui stoppe la formation de nouvelles étoiles.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/hubble-decouverte-plus-ancienne-galaxie-spirale-connue-40258/https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/hubble-decouverte-plus-ancienne-galaxie-spirale-connue-40258/