L'astronomie multi-longueur d'onde

Dans cet article court, je vais vous montrer une toute nouvelle manière d'observer l'univers. Depuis toujours l'homme est habitué à observer le ciel avec ces yeux c'est à dire dans le domaine visible entre environ 400nm et 800nm. Le développement des grandes théories comme l'électromagnétisme, la relativité et la mécanique quantique nous ont permis de comprendre que la lumière que l'on observe avec nos yeux n'est qu'une toute petite partie d'un spectre de longueurs d'ondes bien plus large.

Alors que les astronomes observaient le ciel avec des télescopes optiques classiques, la technique nous a permis de construire de nouveaux télescopes sensibles à de nouvelles longueurs d'ondes. Et c'est en observant le ciel en dehors du domaine visible que les astrophysiciens se sont rendus compte de l'extrême complexité de notre univers ... .

L'objectif de cet article est de vous présenter les différentes longueurs d'ondes avec lesquelles on observe le ciel, quels instruments on utilise pour cela et surtout quel est l'intérêt de faire une observation dans telle ou telle longueur d'onde. Pour cela je vais vous présenter une partie du ciel pointant vers le centre galactique - en particulier SgrA* qui semblerait être un trou-noir supermassif au centre de la galaxie - sous différentes longueurs d'onde.

L'astronomie Optique, Ultraviolet et Infrarouge

Dans le domaine optique, on observe le ciel avec des télescopes classiques (à lentilles ou à miroirs) sensibles généralement à des longueurs d'onde allant de 300nm à 1100nm c'est à dire du proche ultra-violet au proche infrarouge. Les télescopes optiques sont évidement ceux avec lesquels on peut avoir la meilleure la meilleure résolution et donc sonder le ciel le plus précisément possible. Il existe de très nombreux télescopes optiques mais on peut citer en particulier le télescope spatial Hubble qui étudie en partie le ciel dans la bande optique et l'expérience VLT (Very Large Telescope) qui se situe au Chili et qui permet également de sonder le ciel dans le visible.

L'astronomie optique permet de sonder avec précision le ciel et d'obtenir des informations - des spectre électromagnétiques - sur les objets qui émettent de la lumière visible.

Dans le domaine optique, dans la direction du centre galactique on n'aperçoit rien en particulier si ce n'est quelques nuages dus à la forte concentration d'étoiles dans cette zone là du ciel. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]
Dans le domaine optique, dans la direction du centre galactique on n'aperçoit rien en particulier si ce n'est quelques nuages dus à la forte concentration d'étoiles dans cette zone là du ciel. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]

Tandis que l'astronomie infrarouge tend à sonder les objets "froids" ou peu lumineux dans le domaine optique, l'astronomie ultraviolette permet d'avoir des informations sur le spectre des objets "chauds".

Le spectre infrarouge va grosso-modo de 1\mu m à 450\mu m. On le divise généralement en 3 parties :

  • L'infrarouge proche (0.75-5\mu m) : La plupart des télescopes optiques peuvent observer dans cette bande spectrale et surtout la plupart des télescopes infrarouges dédiés.
  • L'infrarouge moyen (5-25\mu m) : Cette bande est accessible par certains télescopes optiques mais surtout par la plupart des télescopes infrarouges.
  • L'infrarouge lointain (25-200\mu m) : Cette bande particulière est accessible à seulement quelques télescopes infrarouges et une poignée de télescopes optiques. La raison vient de la présence de vapeur d'eau dans l'atmosphère qui est opaque dans le domaine infrarouge lointain.
  • Le submillimétrique (200-1000\mu m) : Cette bande n'est accessible qu'aux télescopes spatiaux qui ne subissent pas l'absorption lumineuse de l'atmosphère.

Dans l'infrarouge, le ciel n'est absolument pas sombre. Il est rempli de nuages lumineux qui résultent de la présence de gaz et de poussières qui entourent généralement des amas d'étoiles. L'astronomie infrarouge est d'ailleurs particulièrement efficace pour observer les zones de formation d'étoiles ce qui n'est pas possible dans le visible car le milieu n'est pas assez chaud pour émettre de la lumière visible.

On constate dans l'infrarouge que le ciel est beaucoup plus lumineux que prévu. En particulier l'équateur galactique semble se distinguer des deux extrémités de la photo en étant moins homogène et présentant des variations de couleurs plus intenses. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]
On constate dans l'infrarouge que le ciel est beaucoup plus lumineux que prévu. En particulier l'équateur galactique semble se distinguer des deux extrémités de la photo en étant moins homogène et présentant des variations de couleurs plus intenses. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]

L'astronomie ultraviolet fait référence aux observations dans la bande spectrale comprise entre 10nm et 320nm. La bande UV ne présente pas tellement plus d'information que la bande optique si ce n'est qu'elle permet de déterminer la température des objets chauds et la composition chimique et la densité du milieu interstellaire. On observe généralement en UV les étoiles dites "bleues" chaudes, les nébuleuses planétaires, les rémanents de supernovæ ou encore les noyaux de galaxie actifs.

Malheureusement la zone contenant SgrA* n'a pas été observée en UV. Cependant on observe un ciel assez similaire à ce que l'on voit dans le visible à la différence qu'il semble beaucoup plus opaque (on peut voir moins loin). Les points lumineux correspondent aux étoiles tandis que les faibles "jets" sont associés aux vents stellaires à haute température. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]
Malheureusement la zone contenant SgrA* n'a pas été observée en UV. Cependant on observe un ciel assez similaire à ce que l'on voit dans le visible à la différence qu'il semble beaucoup plus opaque (on peut voir moins loin). Les points lumineux correspondent aux étoiles tandis que les faibles "jets" sont associés aux vents stellaires à haute température. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]

L'astronomie micro-ondes et ondes radio

L'astronomie micro-ondes s'inscrit dans la continuité de l'astronomie infrarouge. Elle permet d'observer les zones de l'univers à basses températures, en particulier l'espace interstellaire, intergalactique, les nuages moléculaires, la formation des planètes, l'étude du système solaire (les planètes émettent en particulier de la lumière dans le domaine infrarouge et submillimétrique). Elle fait office d'interface entre l'astronomie infrarouge et l'astronomie radio.

Les télescopes radio sont immenses (plusieurs centaines de mètres) car les antennes doivent avoir une dimension de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde qu'ils cherchent à détecter. On parle en particulier d'onde radio quand la longueur d'onde est de l'ordre du mètre voir plus. Cette bande spectrale est très utile car elle nous permet d'observer la transition à 21cm de l'hydrogène moléculaire qui est quasi omniprésent dans l'univers. De plus, les nuages moléculaires émettent en particulier dans cette bande de longueurs d'ondes ce qui nous permet en étudiant les spectres de déterminer la composition chimique d'un nuage moléculaire et d'en déduire de nombreuses informations sur les étoiles environnant et les éventuelles planètes. Dans le même temps, la radioastronomie nous permet d'avoir un regard sur les événement extrêmes de l'univers qui n'émettent pas que dans les petites longueurs d'ondes comme par exemple les pulsars qui émettent à plusieurs MHz ou les quasars qui émettent au GHz.

Dans la bande correspondant à la raie d'émission H$\alpha$ de l'hydrogène (~2.5MHz), on observe des zones sombres ainsi que des zones très lumineuses. Dans la direction de SgrA, la zone est lumineuse et semble témoigner de la violence des événements qui peuvent s'y dérouler. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]
Dans la bande correspondant à la raie d'émission H\alpha de l'hydrogène (~2.5MHz), on observe des zones sombres ainsi que des zones très lumineuses. Dans la direction de SgrA, la zone est lumineuse et semble témoigner de la violence des événements qui peuvent s'y dérouler. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]

L'astronomie X et gamma

Les bandes spectrales X et \gamma sont toutes les deux révélatrices de phénomènes extrêmes ou de très hautes températures. On parle d'astronomie X dans la bande 0.01-100nm et d'astronomie \gamma quand la longueur d'onde est inférieure à 0.01nm. Les rayons X et \gamma n'atteignent jamais le sol terrestre heureusement pour nous, c'est pourquoi les télescopes X sont envoyés dans l'espace et les télescopes \gamma sont sur Terre mais ne fonctionnent absolument pas comme les télescopes classiques ce qui explique en partie pourquoi il est très difficile d'avoir une haute résolution dans cette longueur d'onde.

La bande X révèle tous les objets extrêmement chauds comme les étoiles chaudes et massives (O, Wolf-Rayet) ou encore des interactions entre deux objets massifs comme une étoile massive et une étoile à neutron ou un trou noir par exemple.

SgrA* est clairement au centre d'une zone lumineuse ce qui signifie que beaucoup de rayons X sont émis ce qui révèle encore une fois la violence des événement qui s'y déroulent. Étant donné que le flux de rayons X est faible, il est nécessaire de cibler des zones d'observations bien précises ce qui explique cette image incomplète. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]
SgrA* est clairement au centre d'une zone lumineuse ce qui signifie que beaucoup de rayons X sont émis ce qui révèle encore une fois la violence des événement qui s'y déroulent. Étant donné que le flux de rayons X est faible, il est nécessaire de cibler des zones d'observations bien précises ce qui explique cette image incomplète. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]

La bande \gamma révèle tous les événements d'une violence extrême et non ceux d'origine thermique (ou très peu). On y observe les mêmes événements que ceux que l'on peut observer en X à la différence que le spectre sera différent. Les événements au cœur de ces observations sont les binaires à émission $\gamma$, les trous noir, les supernovæ, les rémanents de supernovæ, les quasars, les gamma ray burst et bien d'autres objets étranges ... .

Le centre galactique est extrêmement lumineux. Effectivement, les physiciens soupçonnent qu'un trou noir est à l'origine de SgrA*. Mais les rayons $\gamma$ émis ne viennent pas que de cet objet étant donné l'étendue de la source. Il y a d'autres phénomènes à observer dans le centre galactique qui sont aussi émetteurs de rayons $\gamma$. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]
Le centre galactique est extrêmement lumineux. Effectivement, les physiciens soupçonnent qu'un trou noir est à l'origine de SgrA*. Mais les rayons $\gamma$ émis ne viennent pas que de cet objet étant donné l'étendue de la source. Il y a d'autres phénomènes à observer dans le centre galactique qui sont aussi émetteurs de rayons \gamma. [Source : http://aladin.u-strasbg.fr]

Depuis pas mal de temps maintenant, l'astronomie s'est ouverte aux autres longueurs d'ondes et a permis de révéler - comme vous l'avez vu sur les images - de nouveaux objets totalement différents de ce que l'on connaissait jusqu'alors. C'est pourquoi ce domaine de recherche est de plus en plus actif et tente de répondre à de très nombreuses questions liées à la physique stellaire, au événements extrêmes à la matière noire et l'énergie noire l'expansion de l'univers et le fond diffus cosmologique ... . Et peut-être qu'un jour les ondes gravitationnelles viendront s'ajouter à ce "spectre" d'observation 😉

 

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