Le satellite Planck de l’ESA vient de délivrer une image exceptionnelle de l’intégralité du ciel provenant du premier relevé, qui est tout juste achevé. Celle-ci met en évidence les deux sources de rayonnement du ciel les plus importantes dans le domaine des micro-ondes : le rayonnement fossile et la Voie lactée. Le rayonnement fossile correspond à l’écho lumineux du Big Bang. Il témoigne des premiers instants de l’Univers, qu’il a traversé pendant près de 13,7 milliards d’années avant de parvenir jusqu’à nous. Dans certaines directions, on voit en superposition le rayonnement issu de divers objets astrophysiques, notamment notre Galaxie, la Voie lactée. Grâce aux observations de Planck à neuf fréquences différentes, et grâce à des techniques sophistiquées d’analyse d’images, il est possible de distinguer ces différents rayonnements. Ils deviendront des produits scientifiques distincts de grande importance, tant pour les astrophysiciens que pour les cosmologistes, et seront rendus publics fin 2012.
Le satellite Planck de l’ESA observe actuellement tout le ciel dans le domaine des micro-ondes. L’objectif principal de la mission Planck est d’observer le rayonnement fossile, c’est-à-dire la lumière issue des premiers instants de l’Univers. Les minuscules fluctuations de température de ce rayonnement portent la trace des germes des grandes structures cosmiques qui se sont formées plus tard, comme les galaxies ou les amas de galaxies. Néanmoins, à ce rayonnement fossile s’ajoute une brume de lumière d’avant-plan issue de notre propre Galaxie. Il s’agit de l’émission du milieu interstellaire, mélange de gaz et poussières qui remplit notre Voie lactée. Cette émission de notre Galaxie ne masque pas le rayonnement fossile, mais se superpose à celui-ci.
Cette première image de tout le ciel représente une synthèse particulière de toute l’information que Planck est en train de collecter. Elle a été spécifiquement traitée pour mettre en valeur l’émission de notre Galaxie. D’autres traitements peuvent en revanche mettre en exergue la partie cosmologique. Pour y arriver avec la précision requise, les équipes scientifiques de Planck ont développé un système dédié très sophistiqué d’analyse d’images, qui utilise toute la finesse et la sensibilité exceptionnelles des images de Planck dans ces neuf bandes de fréquence.
Le ciel micro-ondes vu par le satellite Planck. Cette image couleur a été créée à partir des données Planck obtenues dans neuf bandes de fréquence, comprises entre 30 et 857 GHz, c’est à dire dans le domaine des ondes submillimétriques, millimétriques, et centimétriques (aussi appelées micro-ondes). Notre Galaxie, la Voie lactée, est bien visible dans l’image comme une bande claire horizontale. Une grande région du ciel est illuminée par notre Galaxie, comme en témoignent ces structures claires et filamentaires qui s’étendent bien au delà du plan de notre Voie lactée. Ces émissions ont pour origine le gaz et les poussières du milieu interstellaire. Le rayonnement fossile est visible sur cette image sous la forme de structures granulaires rougeâtres, principalement visibles au haut et en bas de l’image, où l’émission de notre Galaxie est très faible. Cette image montre qu’il est possible de séparer ces deux émissions, dans de petites régions bien définies (en haut et en bas de l’image). Cependant, les scientifiques de Planck développent des méthodes sophistiquées de traitement d’image pour séparer ces deux composantes sur presque la quasi-totalité du ciel ! Cette image provient des données de Planck collectées pendant les neuf premiers mois de sa mise en service. Planck poursuit ses mesures et devrait fournir au moins 3 autres relevés complets du ciel. © ESA, HFI & LFI Consortia
La structure granulaire du rayonnement fossile est la plus manifeste dans les régions en haut et en bas de l’image, où l’émission de notre Galaxie est plus faible, » nous explique le responsable scientifique de l’instrument HFI, Jean-Michel Lamarre du Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique. « Par ailleurs, une partie importante du ciel montre différentes régions de la Voie lactée, très brillante le long du plan galactique (la large bande horizontale centrale claire), mais qui s’étend aussi au-dessus et au-dessous, même si elle y est moins intense. »
Jean-Loup Puget, directeur de recherche du CNRS à l’Institut d’astrophysique spatiale et responsable scientifique du consortium de laboratoire qui a construit l’instrument HFI, explique que « le milieu interstellaire de la Voie lactée est composé de nuages de gaz et de poussières de différente composition, température, et densité. Heureusement, les différentes phases du milieu interstellaire émettent dans des bandes de fréquences, des « couleurs » différentes ; ces signatures peuvent être utilisées pour séparer l’émission galactique, et donc pour les soustraire des images afin d’extraire le rayonnement fossile, de la même façon que le cerveau humain est capable d’isoler la voix d’une personne qui parle au milieu d’un groupe en pleine discussion. L’analyse de la composante interstellaire donnera des informations précieuses sur les mécanisme de formation des étoiles dans notre Galaxie.»
François Bouchet, directeur de recherche du CNRS à l’Institut d’astrophysique de Paris, coordinateur scientifique et responsable du traitement des données, souligne : « Après 17 ans de travaux préparatoires un peu arides, nous avons enfin sur nos écrans ces données qui recèlent des éléments de réponses à des questions cosmologiques dans la continuation des grandes interrogations sur l’Univers et l’origine qui agitent l’humanité depuis les temps les plus reculés ». Mais les principaux résultats cosmologiques demanderont près de deux années supplémentaires de collecte, de traitement et d’analyse des données. Pendant ce temps, l’analyse détaillée de l’émission galactique permettra une grande amélioration de not
Le trou noir supermassif présent au centre de notre Galaxie a connu un passé agité ces derniers siècles. C’est son voisinage qui nous le révèle : des nuages moléculaires, dont la luminosité variable en rayonnement X et gamma reflète une forte éruption passée. Ces résultats, obtenus par une équipe internationale de chercheurs dont ceux du CNRS (IN2P3(1) et INSU(2)) et du CEA(3), sont publiés dans The Astrophysical Journal.
Les trous noirs situés dans les noyaux des galaxies actives connaissent généralement une activité intense. Pas celui de notre Galaxie, Sgr A*, qui présente une activité extrêmement réduite. Mais une équipe internationale de chercheurs, dirigée par des astrophysiciens du laboratoire Astroparticule et cosmologie de Paris (CNRS / Université Paris-Diderot / CEA / Observatoire de Paris), a pu démontrer que ce trou noir avait été actif dans un passé très récent, et qu’il n’était donc pas aussi atypique qu’il paraissait.
Grâce à XMM-Newton et INTEGRAL, deux satellites de l’ESA auxquels le CNES, le CEA et le CNRS (INSU et IN2P3) ont fortement contribué, les chercheurs ont pu observer les émissions X et gamma des nuages moléculaires de la région du centre galactique, voisins de Sgr A*. Surprise : ces émissions ont connu des variations spectaculaires, comme l’allumage progressif de l’un des nuages, entre 2004 et 2009, à une vitesse apparente trois fois plus élevée que celle de la lumière (Fig. 1).
Ce phénomène prouve que ces nuages réfléchissent le rayonnement de haute énergie produit par une activité intense du trou noir supermassif. L’écho de lumière nous arrive en effet avec un délai, par rapport à la lumière directe du trou noir, qui dépend de la position du nuage et du temps que le rayonnement emploie pour parcourir la distance entre le trou noir et le nuage. En observant la décroissance de l’émission gamma dans un autre nuage (fig. 2), les chercheurs ont estimé la durée et l’intensité de cette éruption, commencée il y a environ quatre siècles et qui s’est terminée au début du XXè siècle. Pendant trois cents ans, le trou noir supermassif de notre Galaxie a donc été un million de fois plus lumineux qu’actuellement.
© Ponti G., et al., 2010, The Astrophysical Journal, V. 714, p. 732-747
Figure 1. Images XMM-Newton de l’émission de la raie de fluorescence du fer neutre dans les nuages moléculaires autour de Sgr A* (Bridge, MC1 et MC2) entre 2004 et 2009. On voit clairement la progression de l’émission dans les sous-régions marquées par les ellipses 1, 2, 3 et 4 du Bridge. La distance parcourue par l’émission est de 15 années lumières en moins de 5 ans. L’échelle angulaire (2 arc-minutes = 15 années lumière à la distance du centre galactique) et la direction vers Sgr A* sont aussi indiquées
© Terrier R., et al., 2010, The Astrophysical Journal.
Figure 2. La région du centre galactique vue par INTEGRAL en rayons gamma de basse énergie (20-60 keV) à différentes époques, chaque bande pour une année différente entre 2003 et 2009. Les différentes sources sont généralement associées à des systèmes binaires X variables. Le cercle vert dans l’image en haut montre la position du nuage moléculaire Sgr B2. La source gamma associée montre clairement un déclin sur 7 ans
La mission Planck, observatoire de l’ESA des fréquences micro-ondes, et première mission européenne conçue pour étudier le Rayonnement Cosmologique Fossile (RCF), vient de commencer le second de quatre relevés successifs du ciel. Des relevés qui vont à terme fournir l’image la plus détaillée jamais obtenue de l’Univers primordial. Sur de nouvelles images publiées ce jour, on peut découvrir des nuages filamentaires connectant les plus grandes échelles de la Voie Lactée aux plus petites.
Bien que la mission première de Planck soit de cartographier le RCF (les vestiges de la toute première lumière émise il y a 13,7 milliards d’années), en imageant l’intégralité du ciel, l’instrument va aussi fournir des données précieuses pour nombre d’études astrophysiques. Pour preuve les nouvelles images publiées ce jour, qui révèlent la distribution de la poussière froide de notre Galaxie et la structure du milieu interstellaire qui l’emplit.
Révéler le milieu interstellaire à grande échelle
L’espace entre les étoiles n’est pas vide, il contient des nuages de poussière et de gaz intimement mêlés qui forment le « milieu interstellaire ». La richesse des structures filamentaires observées, et la façon dont les petites et les grandes échelles sont interconnectées, fournissent des indices importants sur les mécanismes physiques à la base de la formation des étoiles et des galaxies.
Situer où se forment les étoiles
Une des caractéristiques essentielles de Planck est son aptitude à révéler la température des particules de poussière les plus froides, cette même température qui reflète l’équilibre des énergies en présence dans le milieu interstellaire. En révélant ces amas froids (près de -260 °C), Planck permet d’isoler les lieux où la formation des étoiles est sur le point de commencer. Ainsi, en combinant les données de Planck avec celles d’autres satellites, comme Herschel de l’ESA, Spitzer de la NASA, ou encore IRAS, les astronomes vont pouvoir étudier la formation des étoiles de la Voie Lactée dans son ensemble.
Les dernières images obtenues, visibles en pièce jointe et légendées, montrent par leur existence et leur qualité que l’Instrument HFI fonctionne de manière très satisfaisante et que tout le segment sol, qui recueille les données, vérifie journellement leur qualité et les transforme en produits utilisables par les scientifiques, est pleinement opérationnel. Il est composé du centre d’opération de HFI basé à l’Institut d’Astrophysique Spatiale à Orsay (CNRS/Université Paris-sud 11, OSU/INSU) et du Centre de Traitement des données situé à l’Institut d’Astrophysique de Paris (CNRS, Université Pierre et Marie Curie, OSU/INSU), tout deux financièrement soutenus par le CNES. Le centre de mission de l’ESA est quant à lui situé à l’ESAC en Espagne.
Image Planck d’un écheveau Galactique de poussière froide. La capacité de Planck de mesurer la température des particules de poussière les plus froides permet de fournir un indicateur important des processus physiques à l’œuvre dans le milieu interstellaire, et dans les régions de formation des étoiles. L’image couvre une portion de ciel d’environ 50 degrés. Cette image composite en trois couleurs a été obtenue à partir des deux fréquences les plus élevées de Planck (les canaux à 557 et 857 GHz de l’instrument HFI, qui correspondent à des longueurs d’onde de 540 et 350 micromètres), et d’une image à plus courte longueur d’onde (100 micromètres), obtenue grâce au satellite IRAS (InfraRed Astronomical Satellite). Cette composition permet de situer efficacement la poussière: les tons rougeoyants correspondent à des températures qui peuvent atteindre près de 12 degrés au-dessous du zéro absolu (soit environ -260 degrés Celsius), tandis que les tons à base de blanc correspondent à des régions nettement plus chaudes (des dizaines de degrés au dessus du zéro absolu) où des étoiles massives sont en cours de formation. L’image dans son ensemble révèle l’état de la poussière dans un voisinage d’environ 500 années lumière du Soleil. Cette image Planck a été obtenue au cours du premier relevé intégral du ciel qui a débuté en août 2009 et qui est aujourd’hui, à la mi-mars 2010, complet à 98 %. A ce rythme, Planck aura terminé d’effectuer son premier relevé intégral du ciel à la fin mai 2010. Cette image montre aussi l’intérêt que représente la combinaison des informations de Planck à celles obtenues par un autre instrument, IRAS, permettant dans le cas présent de mieux définir la température de la poussière. © ESA et le Consortium HFI, IRAS.
Ces structures filamentaires de la Voie Lactée sont clairement visibles aux grandes échelles, comme le montre l’image Planck à droite, tout comme aux petites échelles, comme le montre l’image agrandie de gauche, unepetite région obtenue par le satellite Herschel dans la constellation de l’Aigle (même région que dans la première image). L’image Planck, à droite, qui couvre une portion du ciel d’environ 55 degrés, a été obtenue par l’instrument HFI à une fréquence de 857 GHz (soit une longueur d’onde de 350 micromètres). La bande horizontale rouge profond au bas de l’image correspond au disque de notre Galaxie spirale vu de l’intérieur. Les couleurs de cette image ont été choisies pour traduire l’intensité de l’émission du rayonnement thermique de la poussière à cette fréquence. L’image de gauche montre une « pouponnière stellaire » typique (d’environ 3 degrés de large) dans la constellation de l’Aquila (aigle), dont l’image vient d’être prise par l’Observatoire Spatial Herschel. Un des constats les plus intéressants étant que la structure filamentaire vue aux toutes petites échelles par Herschel a une ressemblance frappante avec celle vue par Planck aux plus grandes échelles, soulignant la synergie entre les deux instruments. © ESA et le Consortium HFI ; pour l’insert : ESA et Consortia SPIRE & PACS, P. André (CEA Saclay) pour le programme clé de la ceinture de Gould.
La région du ciel couverte par l’image Planck est mise en situation grâce à sa superposition à l’image optique du ciel obtenue par Axel Mellinger. Cette image montre la capacité de l’instrument à balayer une large région pour en donner un aperçu panoramique. © ESA et le Consortium HFI ; Axel Mellinger.
