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Un Magnétar autour d’un Trou Noir : Une Découverte Fortuite A Fort Potentiel

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Magnetar
Je vous en parlais à la fin de l’année dernière, un nuage de gaz (nommé G2) est en ce moment en train de s’approcher dangereusement (pour lui) du trou noir supermassif tapi au centre de notre galaxie (voir là). Et depuis sa mise en évidence, de très nombreux télescopes sont braqués vers le centre galactique pour voir les premiers le festin qui va s’ensuivre. En effet, ce nuage de gaz doit passer si près de Sgr A* que ce dernier devrait l’engloutir en produisant de belles bouffées de rayonnements en tous genres.
Et ce qui devait arriver arriva : quelque chose a été détecté… mais ce n’est pas ce qui était attendu ! Il est encore trop tôt, G2 devrait être englouti vers la fin de l’année ou au début de l’année prochaine. En revanche, une équipe, en observant les alentours de Sgr A*, a trouvé un objet émettant très intensément en rayons X, et qui n’est pas G2.
Le télescope spatial NuSTAR (NASA)
C’est avec le télescope spatial dédié aux rayons X NuSTAR, que Fiona Harrison et son équipe ont scruté en détail cet objet et ont pu conclure sur sa nature : il s’agit de ce qu’on appelle un magnétar : un pulsar possédant un champ magnétique très fort, qui lui fait perdre beaucoup d’énergie en faisant spiraler de la matière autour de ses lignes de champ.
Ils ont pu observer très nettement la pulsation des émissions X le 26 avril dernier, avec une période de 3,76 secondes. Quelques jours plus tard, l’observatoire spatial Chandra fut mobilisé pour regarder ce pulsar et calculer sa distance. Il se trouve à moins d’une demi-année-lumière du trou noir (0,38 AL précisément), ce qui est beaucoup plus loin que le nuage G2.
Une semaine plus tard, c’est au tour des satellites NuSTAR  (à nouveau) et Swift d’observer ensemble cette source de rayons X pulsante et d’en conclure qu’il s’agit bien d’un magnétar, sa période de rotation déclinant significativement, du fait de son fort champ magnétique.
Même si il se trouve bien plus loin que le nuage de gaz G2 et bien trop loin pour être avalé par le TN supermassif, ce magnétar se trouve suffisamment près du trou noir supermassif Sgr A*, pour en faire un outil très précieux pour les astrophysiciens. Une découverte fortuite très intéressante.
Vue d’artiste du nuage de gaz G2 approchant SGR A*

Il faut savoir que ce n’est pas le premier magnétar à être trouvé dans cette région de la galaxie, c’est le quatorzième. De tels pulsars sont des résidus de la mort d’étoiles massives très vieilles, qui peuplent abondamment le centre de notre galaxie. Mais ce pulsar-là est le plus proche du TN supermassif
Là où il devient un outil passionnant pour les astrophysiciens, c’est dans l’étude de la relativité générale à proximité de Sgr A*(voir ici). En effet, un pulsar est une étoile à neutrons qui tourne sur elle-même avec une période de rotation et qui produit une pulsation de rayonnement égale à sa période de rotation. C’est en quelque sorte une horloge que l’on peut regarder à distance.
vue d’artiste d’un magnétar
D’après la relativité générale, en présence d’un très fort champ gravitationnel, là où la courbure de l’espace-temps est très prononcée, ce qui est le cas au voisinage d’un trou noir supermassif, le temps doit se ralentir vu par un observateur éloigné.
Un pulsar en orbite autour d’un trou noir supermassif est donc l’outil rêvé pour étudier ces effets temporels. Il faut juste que ce magnétar ait une orbite elliptique, ce qui devrait être le cas. Alors, sa distance au trou noir doit varier entre une valeur maximale et une valeur minimale. Il s’ensuit que sa période de pulsation devrait ralentir et s’accélérer, en fonction de son mouvement autour de Sgr A*…
Il arrive parfois, voire souvent, que des observations mènent à des trouvailles inattendues qui se révèlent incroyablement fructueuses. Il se peut que G2  ne soit même pas un nuage de gaz, mais en le surveillant, on vient peut-être de trouver  un nouveau moyen d’en connaître encore plus sur Sgr A* et la physique centenaire qui le régit.
Référence :
Magnetar found at giant black hole
E.  Reich
Nature 497, 296–297 (16 May 2013)

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GRB 130427A : La Bouffée de Rayons Gamma de tous les Records

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NASA's_Fermi,_Swift_See_'Shockingly_Bright'_Burst_(before_and_after_labels)
En décembre 2011, je vous racontais l’histoire d’une bouffée de rayons gamma hors normes par sa durée de 28 minutes, le fameux GRB (Gamma Ray Burst) de Noël découvert un an plus tôt (lire ici). Aujourd’hui, c’est un tout autre et tout nouveau GRB qui fait l’actualité astrophysique. Ce dernier est dénommé GRB 130427A. Ce qu’a d’extraordinaire cette bouffée de rayons gamma détectée par le satellite Fermi-LAT et située dans la constellation du Lion, c’est son énergie extrême, battant le précédent record d’un facteur 3, ainsi que sa durée, jamais vue…
C’est le 27 avril dernier qu’à eu lieu le phénomène. Un GRB (ou boufée de rayons gamma) est un phénomène astrophysique dit transitoire, qui ne dure que quelques instants, de quelques secondes à quelques minutes pour les plus longs. Ces brusques émissions de rayons gamma le plus souvent très énergétiques sont estimées être produites lors des événements les plus violents de l’Univers: la création de trous noirs lors de l’effondrement d’étoiles en fin de vie.
Lorsqu’un trou noir se forme, de jets de matière sont  projetés à vitesse ultra-relativiste de part et d’autre des pôles de l’astre noir. Ce sont ces jets de matière, d’après les meilleurs modèles en vigueur chez les astrophysiciens, qui vont à la fois produire des photons gamma d’énergie de l’ordre du GeV et aussi leur donner un coup d’accélérateur en leur fournissant une énergie cinétique supplémentaire. 
Il suffit ensuite que la Terre se trouve dans l’axe d’émission des jets pour être au premier rang pour observer les rayons gamma les plus énergétiques possibles…
Ciel gamma enregistré par Fermi avant et après GRB 130427A (NASA/DOE/Fermi-LAT collaboration)
C’est très probablement ce qui s’est passé le 27 avril dernier avec GRB 130427A. Le satellite Fermi-LAT qui traque les sources de rayons gamma dans tout le ciel était pointé vers la bonne direction au moment crucial. Il a pu mesurer des photons ayant une énergie maximale de 94 GeV, ce qui est absolument considérable pour un photon. L’image ci-dessus qu’a fourni la NASA, gestionnaire du satellite Fermi, donne un aperçu du ciel en gamma (énergie supérieure à 100 MeV) juste avant le burst et juste après son début.
Car non seulement cette boufée de rayons gamma est la plus énergétique enregistrée à ce jour, mais elle est également celle de plus longue durée : plusieurs heures! Elle a duré si longtemps que l’alerte lancée par Fermi-LAT a pu être exploitée à temps par l’autre chasseur de gamma en orbite, le satellite Swift (celui-là même qui avait trouvé le GRB de Noël en 2010). Swift a ainsi eu le temps d’observer confortablement le burst et de le localiser assez précisément, mieux que ce que peut faire Fermi-LAT.
Évolution de l’émission gamma entre 100 Mev et 100 GeV vue par Fermi-LAT entre 4 minutes avant le début du burst et 14 heures après (NASA/DOE/Fermi-LAT collaboration)
L’évolution temporelle du sursaut gamma a été très bien enregistrée par Fermi-LAT : après un pic initial très court d’environ une seconde, il y eu un calme relatif de 15 secondes pendant lesquelles ne fut détectée qu’une émission à basse énergie assez variable. Puis ensuite, la bouffée se réintensifia fortement en l’espace de quelques minutes puis resta extrêmement intense durant près de 14 heures…
Une durée aussi longue était du pain béni pour tout astrophysicien, on s’en doute. A partir de la localisation donnée par Swift, de nombreux télescopes terrestres ont pu être pointés dans la direction, pendant que les satellites en orbite enregistraient toujours leurs rayons gamma. Une contrepartie en lumière visible, infra-rouge et aussi en ondes radio ont ainsi pu être observées.
Une équipe américaine avait même détecté optiquement l’apparition d’un nouvel objet indépendamment, sans connaître l’alerte gamma de Fermi et Swift, en exploitant le Catalina Real-Time Transient Survey, dédié à la recherche de phénomènes transitoires.
Les observateurs ont alors appris très vite quelle était la distance de l’objet : 3,6 milliards d’années-lumière, ce qui est relativement proche pour un GRB.
Généralement, dans le cas d’un GRB proche, les astronomes parviennent à détecter la supernova initiatrice dans les deux semaines qui suivent la bouffée. C’est dire si les yeux sont braqués vers le Lion en ce moment dans les grands observatoires de l’hémisphère Nord…
A partir des coordonnées fournies par les divers instruments, une recherche dans les grands catalogues comme le Sloan Digital Sky Survey, indique la présence d’une galaxie presque coïncidente avec cette position : une galaxie très faible nommée SDSS J113232.84+274155.4 de magnitude 21,26 et qui se retrouve maintenant sous l’œil attentif de toute une communauté… 

Sources :
- Communiqué de la NASA  NASA’s Fermi, Swift See ‘Shockingly Bright’ Burst  (03 mai 13)
- An untriggered optical detection of GRB 130427A
Drake, A.J. et al.
The Astronomer’s Telegram  (4 May 2013)
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A La Recherche des Ondes Gravitationnelles

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gravi-wave
La gravitation est la force ce qui ordonne l’Univers à grande échelle. Elle est comprise depuis un siècle – et la théorie de la Relativité Générale d’Einstein – comme issue la courbure de l’espace-temps, qui est elle-même produite par la présence de densité d’énergie (ou de masse). A son tour, toute masse (et on pourrait dire toute quantité d’énergie) se déplace dans l’espace-temps en suivant la courbure de ses géodésiques.
Et la Relativité Générale prédit que lorsque deux objets très denses et très compacts se tournent l’un autour de l’autre à grande vitesse et finissent par fusionner dans un beau cataclysme, l’espace-temps autour de ce couple singulier doit subir des phénomènes semblables à des vibrations. Il doit alors exister des ondes à la surface de l’espace-temps, de façon similaire à ce que l’on pourrait observer à la surface de l’eau lorsqu’on jette un caillou dans un lac.
Ces ondes de gravitation, ou ondes gravitationnelles, se propagent ensuite, en s’atténuant sur leur trajet, dans tout l’Univers à la vitesse de la lumière.
Les ondes gravitationnelles sont même associées à une particule spécifique dans le bestiaire de la physique des particules : un boson appelé le graviton, qui a la particularité unique dans le monde des particules de posséder un spin égal à 2.
Aujourd’hui, ni les ondes gravitationnelles ni le graviton n’ont pu encore être observés directement. On est en revanche à peu près sûrs de l’existence des ondes gravitationnelles de manière indirecte en observant comment des couples d’étoiles à neutron perdent de l’énergie gravitationnelle, qui ne peut être dû qu’à une émission d’ondes du même nom.
Car les objets à même de produire des ondes gravitationnelles que nous pourrions détecter ne sont pas très nombreux : il s’agit soit de couples d’étoiles à neutron, soit de couples de trous noirs ou encore des couples mixtes : étoile à neutron-trou noir. Il est également possible dans une moindre mesure d’espérer avoir un signal détectable dans le cas d’un couple naine blanche-étoile à neutron si sa distance n’est pas trop éloignée de nous.
Le signal des ondes gravitationnelles et de fait toujours extrêmement faible. Des détecteurs d’ondes gravitationnelles ont été construits ou sont en cours de construction un peu partout dans le monde. Comme le passage d’une onde gravitationnelle sur Terre a pour conséquence de légèrement réduire ou augmenter la distance séparant un point d’un autre (imaginez un espace  élastique qui ondule), le principe utilisé pour mettre en évidence le passage d’une telle onde (ou une suite d’ondes) repose sur l’optique, et plus exactement sur l’interférométrie laser, la seule solution efficace pour mesurer avec une très grande précision une différence de longueur entre deux points.

L’interféromètre européen VIRGO (LAL/CNRS)
Car de la précision il en faut pour voir le passage d’une onde gravitationnelle : la variation relative de longueur à détecter est de l’ordre de 10-21, soit un milliardième de nanomètre pour un kilomètre…
Les principaux interféromètres dédiés à la recherche d’ondes gravitationnelles sont VIRGO en Italie, LIGO-Hanfordet LIGO-Louisiana aux Etats-Unis, LIGO-India en inde ainsi que Kagra au Japon.
L’inconvénient majeur de ces interféromètres laser kilométriques est que, individuellement, ils ne peuvent détecter que le passage d’une onde gravitationnelle, il ne peuvent pas dire de quelle direction celle-ci provient. En revanche, et c’est ce qu’ont compris les physiciens des différents continents, si les différents interféromètres sont associés entre eux, il devient possible de faire de la triangulation et de pouvoir déterminer grosso modo une direction dans le ciel. L’association des 5 interféromètres cités peut ainsi permettre de localiser une source d’ondes gravitationnelles dans une zone de 6° de côté pour des sources pouvant être éloignées jusqu’à 2,5 milliards d’années-lumière.
 
Figures d’interférences pour différentes distances entre miroirs
Non seulement l’amplitude du signal est faible et la localisation délicate, même si les physiciens n’ont pas peur de relever le défi, l’occurrence de ces événements singuliers de fusion de couples d’objets denses est également très faible… Elle est estimée à environ 1 événement tous les 10000 ans par galaxie. Ce qui veut dire qu’il faudrait scruter 10000 galaxies simultanément pendant un an pour espérer « voir » un seul tel cataclysme producteur d’ondes gravitationnelles.
Qu’à cela ne tienne ! Physiciens et astronomes relèvent tous les défis de la connaissance. Ils devront donc regarder des milliers de galaxies à la fois.
Bien évidemment, le but des équipes de physiciens, après avoir localisé grossièrement la source d’ondes gravitationnelles, est de donner l’alerte le plus vite possible aux astrophysiciens pour qu’ils recherchent dans la zone ainsi définie une contrepartie visible (dans toutes les longueurs d’onde) du phénomène cataclysmique, par nature transitoire.
Des télescopes sont spécifiquement dévolus à la recherche d’événements transitoires de ce type, que ce soit des télescopes en orbite comme Fermiou Swift, ou bien des télescopes terrestres munis de cameras à grand champ comme le Zwicky Transcient Facility prévu dès 2015, le  Dark Energy Camera (installé en 2012) ou encore le Jansky Very Large Array dans le domaine des ondes radio.
Albert Einstein en 1921
Mais de récents calculs ont montré que ces événements rares de fusion d’objets compacts pourraient produire une importante émission dans l’infra-rouge. Or il n’existe à l’heure actuelle aucun télescope infra-rouge pouvant capturer un grand champ de vue. Des équipes d’astronomes et d’astrophysiciens ont donc proposé la construction de deux nouveaux télescopes dédiés à ce type de recherche, l’un au sol, le Synoptic All-Sky InfraRed telescope(SASIR) pouvant fournir un champ jusqu’à 1°, l’autre en orbite, le Wide-Field Infrared Survey Telescope(WFIRST) avec un champ de 0.3 degrés.
Parallèlement à ces efforts instrumentaux, il est également extrêmement important pour les astronomes de mieux connaître à l’avance simplement où se trouvent les galaxies, de manière à pouvoir éliminer des sources transitoires qui seraient autant de signaux parasites. En effet, des phénomènes transitoires qui ressemblent à s’y méprendre au signal attendu mais qui n’en sont pas la conséquence, sont nombreux au sein des galaxies.
La quête des ondes gravitationnelles ressemble ainsi à un élan qui pousse en avant de nombreux domaines, qu’ils soient technologiques avec l’élaboration de systèmes optiques ultra performants ou de nouveaux télescopes, ou bien fondamentaux avec la construction de vastes catalogues galactiques. Presque un siècle après son invention par Albert Einstein, la théorie de la Relativité Générale produit aujourd’hui indirectement nombre d’innovations technologiques et de progrès dans les connaissances astronomiques, et ce dans le simple but de sa validation définitive.
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La Relativité Générale Indéboulonnable

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psrJ0348+0432 graphic
Grâce à leur densité extrêmement élevée, les étoiles à neutrons massives peuvent être utilisées pour tester la théorie de la gravitation – la Relativité Générale – dans des conditions extrêmes. C’est ce qu’ont réussi à faire John Antoniadis et son équipe en observant un pulsar de 2 masses solaires. Ils montrent dans un article publié cette semaine dans Science que la perte d’énergie orbitale de ce système binaire (un pulsar lié gravitationnellement à une étoile naine blanche) est totalement en accord avec ce que prédit la théorie d’Einstein. Ils confirment ainsi la validité de la Relativité Générale (RG) dans une configuration de très fort champ gravitationnel, là où certains théoriciens prévoyaient que la théorie d’Einstein ne serait plus valide.
Les étoiles à neutrons ayant une masse supérieure à 1,8 masses solaires produisent un champ gravitationnel énorme qui pourrait sortir du cadre de la relativité générale, c’est du moins ce que pensaient certains physiciens théoriciens. Seulement, pour tester ces idées, il fallait pouvoir observer un cas bien particulier impliquant par exemple un système binaire contenant un pulsar de grande masse et sur lequel on pourrait mesurer la perte d’énergie orbitale par émission d’ondes gravitationnelles.
Vue d’artiste du système pulsar binaire (Antoniadis et al.)

Antoniadis et al. se sont intéressés à un pulsar millisecondes nommé PSR J0348+0432 en observant la structure temporelle de son émission radio (de période 37 ms) ainsi qu’en faisant l’analyse spectroscopique de la lumière de son étoile compagnon, une naine blanche qui lui tourne autour en seulement 2,46 heures.
A partir de ces données, ils ont calculé les masses très précises des deux compagnons, ainsi que des paramètres orbitaux et dynamiques du système, et la perte d’énergie orbitale correspondante.
L’équipe d’astrophysiciens européens et américains signant cette étude montre ainsi que sur une période de suivi de deux ans, la période orbitale du système décroit significativement de 8,6 µs par an.
La masse de PSR J0348+0432 vaut très exactement 2,01 +-0,04 masses solaires. Il s’agit seulement de la deuxième étoile à neutrons à être mesurée avec une masse aussi élevée. Cette mesure confirme par ailleurs l’existence même de ce type d’étoiles à neutrons.
Avec ces valeurs de masses et de période orbitale, la théorie de la Relativité Générale prédit une décroissance orbitale importante.  Et la valeur mesurée par Antoniadis et al. de ce paramètre est en excellent accord avec la valeur prédite par la Relativité Générale, avec un ratio observation/théorie égal à 1,05 +-0,18, on pouvait difficilement faire mieux!
Comme ce pulsar binaire possède une énergie de liaison gravitationnelle 60% plus forte que n’importe quel autre étoile à neutron binaire où ont déjà été détectés des effets d’émission d’ondes gravitationnelles, les mesures de sa décroissance orbitale font de ce système un véritable laboratoire de gravitation en régime extrême.
Les résultats obtenus, très concordants avec la Relativité Générale, confirment ainsi sa validité y compris dans des couplages matière-gravitation extrêmes. Ils permettent en outre de rejeter l’existence de phénomènes à fort champ qui étaient prédits par des théories alternatives.
Ces beaux résultats indiquent d’autre part la pertinence de l’utilisation des principes de la RG pour la détection sur Terre d’ondes gravitationnelles qui seraient produites par des événements violents de type fusion d’étoiles à neutrons ou de trous noirs.
Voies de production possibles de PSR J0348+0432 et futur envisageable.
Mais en plus de produire un test excellent pour la RG en conditions extrêmes, PSR J0348+0432 ouvre également des pistes de compréhension sur l’évolution de la rotation des étoiles à neutron après accrétion de masse.
L’émission continue d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles va continuer à rapprocher les deux compagnons et raccourcir d’avantage leur période orbitale.
Dans 400 millions d’années, la période orbitale du système ne sera plus que de 23 minutes, la naine blanche se sera tellement rapprochée de l’étoile à neutrons que cette dernière pourrait accréter le peu de matière de l’enveloppe qui lui reste pour ne laisser qu’une sorte de planète de fer (le cœur de la naine blanche), à moins que la masse ainsi ajoutée ne fasse dépasser la masse critique au-delà de laquelle l’effondrement en trou noir est inéluctable…
Référence :
 A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Binary
J. Antoniadis et al.
Science Vol. 340 no. 6131 (26 April 2013)
 
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La Supernova Qui Etait trop Brillante

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supernova
Les supernovae sont des phénomènes extrêmement lumineux. Lorsqu’une étoile termine sa vie ainsi, en explosant, elle émet brusquement une bouffée d’énergie, de neutrinos et de lumière qui peut supplanter toute la galaxie qui l’abrite. Et certaines supernovæ sont un peu trop lumineuses au gout des astrophysiciens qui les étudient avec attention.
PS1-10afx est une supernova de ce type. Découverte en 2010 au télescope PanSTARRS de Hawaï (le télescope qui a donné son nom à la comète qui nous a passionné le mois dernier). Elle est située à 9 milliards d’années-lumière, une distance considérable, et sa luminosité apparente a montré qu’elle était aussi brillante que 100 milliards d’étoiles du type soleil! Une étoile qui se met soudainement à briller comme 100 milliards d’étoiles…

Vue d’artiste d’une supernova avant explosion
Ryan Chornock, du Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics et ses collègues publient cette semaine la découverte de cette supernova dans The Astrophysical Journal. Ils en détaillent ses caractéristiques comme une couleur plus rouge que la normale, ainsi que sa courbe de luminosité (variation de la luminosité dans le temps) très inhabituelle, avec une montée en seulement 12 jours et une décroissance également très rapide.
Pour eux, PS1-10afx fait tout de même partie de la famille des supernovæ dites « superlumineuses », qui d’habitude peuvent montrer des luminosités 10 à 100 fois supérieures à la normale. Elle serait un cas extrême de cette classe. 
Mais en fait, non seulement par sa luminosité, mais aussi par ses diverses caractéristiques observables, PS1-10afx apparaît être une supernova extravagante : lumière à dominante rouge au lieu d’UV classiquement observé pour le type SLSN (SuperLuminous SuperNovae), vitesse d’éjection photosphérique de 11000 km/s, rayon d’émission très grand (50 milliards de kilomètres) malgré le temps de montée de la luminosité très court…
D’autre part, les précédentes SLSN observées étaient toutes situées dans des jeunes galaxies naines, ce qui n’est absolument pas le cas de la galaxie hôte de PS1-10afx : il s’agit d’une galaxie assez massive de 20 milliards de masses solaires, avec une population stellaire âgée de 100 millions d’années, et qui produit des étoiles à un taux de 15 masses solaires par an…
Ses caractéristiques excluent pour cette supernova des sources d’énergie typiques des supernovæ ultra-brillantes : explosion dans un milieu circumstellaire dense qui permet de convertir de l’énergie cinétique de l’explosion en rayonnement supplémentaire ou bien création d’un pulsar ultra rapide à fort champ magnétique produit lors du collapse (ce qu’on appelle un magnétar). Rien de tout ça pour PS1-10afx…

PS1-10afx est-elle réellement une supernova superlumineuse ? Une supernova, ça ne fait aucun doute. Mais une équipe d’astrophysiciens du Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe à l’Université de Tokyo, s’est interrogée, après la lecture du preprint de Ryan Chornock, sur la réalité de cette luminosité hors norme.
Robert Quimby et son équipe ont donc réutilisé les données de l’équipe de Chornock  en analysant le spectre de la supernova et en le comparant avec tous les types de spectres des différents types de supernovae connus. Et ce qu’ils trouvent et qu’ils publient dans les prochains jours dans Astrophysical Journal Letters, c’est que cette supernova PS1-10afx possède un spectre très similaire à celui d’une supernova de type Ia (les fameuses supernovae utilisées comme chandelles cosmiques pour mesurer les distances, nous en avons déjà parlé souvent), mais comme si l’amplitude de sa luminosité était amplifiée…
Mais ils vont plus loin, car il existe un phénomène bien connu produisant des amplification de luminosité : les effets de lentilles gravitationnelles. 
Illustratrion du phénomène de lentille gravitationnelle (NASA, ESA et L. Calcada)
En effet, les fortes masses (grosses galaxies, amas de galaxies, …) peuvent incurver les trajectoires des photons, mais à la manière des lentilles optiques que nous connaissons, elles produisent également une intensification du signal résultant. 
Quimby et al. proposent ainsi que PS1-10afx est une supernova relativement classique mais située en arrière plan d’une forte masse qui se trouve placée exactement au bon endroit (par un heureux hasard) pour amplifier considérablement sa lumière… Leur explication préférée serait la présence d’une galaxie principalement constituée d’un halo de matière noire (donc invisible) entre la supernova et nous, ils imaginent également la possibilité d’un trou noir supermassif errant…
Mais Chornock ne croit pas à cette explication, arguant du fait que le phénomène de lentille gravitationnelle requiert la présence d’une masse très importante, d’un amas de galaxies par exemple, or on ne voit rien de tel, et de plus selon lui un tel alignement serait hautement improbable.

Quimby rétorque qu’il s’apprête à tester son explication, simplement en observant très attentivement la galaxie hôte de PS1-10afx à la recherche de distorsions gravitationnelles dans l’image de la galaxie. Pour tester son modèle, il a donc demandé du temps d’observation sur le télescope spatial Hubble. Il fallait au moins ça pour mettre au clair la réalité ou non d’une telle furie.
Si l’explication « lentille gravitationnelle » se confirmait, les implications pourraient être nombreuses tant en cosmologie, que dans les domaines des bouffées gamma ou des halos de matière sombre…

Références :
PS1-10afx At z=1.388: Pan STARRS1 Discovery Of a New Type of Superluminous Supernova
R. Chornock et al. 
ApJ 767 162 (2013)

Extraordinary Magnification Of The Ordinary Type Ia Supernova PS1-10afx
R. Quimby et al.
ApJ 768 L20 (2013)

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HFLS3, La Galaxie qui Défie la Théorie de l’Evolution (des Galaxies)

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Le télescope spatial Herschel vient de faire une découverte qui laisse perplexe plus d’un astrophysicien. Il s’agit d’une galaxie très lointaine, située à presque 13 milliards d’années-lumière, très exactement à une époque où l’Univers n’était âgé que de 880 millions d’années. Mais ce n’est pas son âge en lui-même qui est stupéfiant, il s’agit de la taille et de l’activité de cette galaxie, associés à son âge.
HFLS3, c’est son nom, apparaît être une galaxie très grosse pour une galaxie aussi jeune, elle fait déjà près de 140 milliards de masses solaires, soit à peu près la taille de notre galaxie, elle, vieille de plusieurs milliards d’années. Mais ce n’est pas tout! HFLS3 comme toute galaxie jeune, produit de nombreuses étoiles, mais elle montre un taux de production d’étoiles hors du commun : alors que notre Voie Lactée produit environ une étoile par an, HFLS3 en produit plus de 2000 par an! 
Les astrophysiciens sont d’accord sur un point : une telle galaxie est une véritable énigme, elle ne devrait pas exister dans un Univers de moins de 1 milliard d’années. HFLS3 ne colle pas du tout avec la théorie de l’évolution des grandes structures galactiques qui est admise aujourd’hui.
Le modèle de formation des galaxies indique que les premières galaxies se forment dans l’Univers âgé de 600 millions d’années environ par agglomération de matière autour de fluctuations de densités reliques issues de l’Univers primordial.
La galaxie HFLS3 (ESA/Herschel/HerMES/IRAM/GTC/W.M. Keck Observatory)
Ces grains grossissent lentement jusqu’à former des masses de gaz suffisamment denses pour engager des réactions de fusion des noyaux d’hydrogène. Les premières étoiles sont produites dans de petites galaxies de quelques milliards de masses solaires avec un taux de production moyen inférieur à 10 étoiles par an.
Le modèle d’évolution en vigueur indique que les galaxies grossissent ensuite en intégrant des nuages de gaz intergalactique et par fusions successives avec d’autres petites protogalaxies, jusqu’à atteindre des tailles semblables à notre Voie Lactée (100 milliards de masses solaires) en plusieurs milliards d’années.
Le télescope spatial Herschel (ESA)
Dominik Riechers de Cornell University, qui a mené ces recherches explique que chercher les premières galaxies massives est comme chercher une aiguille dans une botte de foin : le programme HerMES (Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey) a trouvé des dizaines de milliers de galaxies massives de type usines à étoiles, et la sélection des objets intéressants était un véritable casse-tête. Mais HFLS3 sortait du lot de par sa très forte luminosité dans l’infra-rouge qui a très vite intrigués les astronomes.
Des observations complémentaires avec le télescope terrestre Keck ont alors montré que le décalage vers le rouge de cette galaxie était z = 6,34, soit la distance considérable de 12,9 milliards d’années-lumière. La très forte luminosité observée ne pouvait être due qu’à une production extrême d’étoiles…
HFLS3 semble produire des étoiles dans la totalité de son volume. Le rayonnement des étoiles naissantes y est si intense qu’il parvient presque à disperser le gaz en effondrement gravitationnel, source de cette production impressionnante.
L‘existence ne serait-ce que d’une seule galaxie ayant ces caractéristiques hors normes remet en cause la théorie de la formation et de l’évolution des galaxies dans l’Univers jeune. Les astrophysiciens se trouvent quelque peu démunis face à cette découverte. Ils cherchent maintenant frénétiquement dans les données d’autres exemples de galaxies extrêmes situées à ces époques, avant peut-être de devoir retourner à leurs papiers et leurs crayons pour réfléchir à un nouveau scénario de naissance des galaxies. 


Références : 
A Dust‐Obscured Massive Hyper‐Starburst Galaxy at Redshift 6.34 
D. A. Riechers et al.
Nature, 18 April 2013
Pour aller plus loin :
Mystères de la Formation des Galaxies. Vers une nouvelle physique ?
Françoise Combes
Editions Dunod (2008)

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SN Wilson : Supernova Ia La Plus Distante Jamais Observée

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Tous les records sont faits pour être battus, ça semble logique, et surtout en astrophysique, où l’on cherche toujours à aller plus loin, plus tôt… Mais là, tout de même, le record n’aura vraiment pas tenu très longtemps. Au début de janvier dernier, l’équipe du Cosmology Supernova Project menée par prix Nobel 2011 Saul Perlmutter publiait un article dans l’Astrophysical Journal relatant la découverte de la supernova Ia la plus éloignée. Elle était située à un décalage spectral de z=1,71, avec des mesures spectroscopiques très précises ne laissant aucun doute sur sa nature et sa distance. Cette découverte avait été faite en utilisant le télescope spatial Hubble.
Mais il faut désormais en parler au passé car ce petit record vient d’être supplanté par l’équipe concurrente qui traque elle aussi les supernovæ Ia les plus lointaines possibles, à savoir l’équipe de Berkeley dirigée par l’autre prix Nobel 2011, Adam Riess… 
Images Avant l’explosion (à gauche), après l’explosion de la SN (au centre), et différence des deux (à droite) [NASA, ESA, A. Riess, D. Jones and S. Rodney (JHU)]
Il s’agit en fait plus d’une émulation que d’une concurrence, ce qui permet de faire avancer nos connaissance le plus vite possible. On se souvient que Perlmutter et Riess avaient reçu ensemble le Nobel pour la mise en évidence grâce à l’observation de SN Ia lointaines, de l’expansion accélérée de l’Univers, débouchant sur le concept d’énergie noire. Ils sont toujours aujourd’hui à la traque de ces véritables chandelles cosmiques qui permettent d’évaluer des distances cosmiques avec une grande précision. Cette nouvelle supernova Ia, qui a été dénommée SN Wilson, en l’honneur de l’ancien président des Etats-Unis Woodrow Wilson, s’appelle en fait SN UDS10Wil. Elle est située à un redshift (décalage spectral) de z=1,914, soit une distance de plus de 10 milliards d’années-lumières!
 
Cette découverte est issue d’un grand programme débuté en 2010 avec le Hubble Space Telescope, le projet CANDELS+CLASH (Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) et Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble (CLASH)), concurrent direct du projet Cosmology Supernova, comme je le disais plus haut. Le programme CANDELS+CLASH exploite la caméra Wide Field Camera3 de Hubble, ce qui se fait de mieux aujourd’hui en orbite.

Depuis 2010, plus d’une centaine de SN Ia ont ainsi été découvertes, situées entre 2,4 milliards et 10 milliards d’années-lumière, mais dont seulement 8 plus lointaines que 9 milliards d’années-lumière.
Le télescope Spatial Hubble en orbite (credit ESA)
 
Ce nouveau record bat le précédent de ‘seulement’ 350 millions d’années-lumières, une gageure.
La technique employée pour découvrir des supernovae est relativement simple, étant donnée que ce sont des étoiles qui se mettent à apparaître subitement du fait de leur explosion libérant des millions de fois plus de luminosité qu’en temps normal : il suffit de faire des images d’une même région du ciel à différents intervalles de temps. L’équipe a donc fait des images dans le proche infra-rouge, espacées de 50 jours sur une durée totale de 3 ans. Le jeu consiste ensuite à soustraire une image par une autre pour en révéler l’étoile intruse qui est apparue entre temps.

Dès que SN Wilson a été mise en évidence en décembre 2010, elle a ensuite été regardée plus en détails grâce au télescope terrestre VLT de l’ESO situé au Chili, notamment pour en calculer sa distance. Parmi les deux modèles de supernova Ia en compétition dont nous avons déjà amplement parlé ici, il semble que cette nouvelle venue ultra lointaine indique un cas double dégénéré, c’est à dire impliquant la fusion de deux naines blanches.
L’équipe d’astrophysiciens menée par A. Riess, en évaluant le nombre de SN en fonction de leur distance, montre que le nombre de SN Ia tend à diminuer de plus en plus plus on arrive à des distances très loitaines et donc des temps très anciens (un univers jeune). Ils indiquent ainsi que le bon modèle pour les SN Ia serait plutôt celui impliquant un couple de naines blanches.

La traque des SN Ia les plus lointaines est fondamental pour apporter toujours plus de précisions, confirmer (ou infirmer) l’accélération de l’expansion qui fut mise en évidence il y a 15 ans. 
Ces deux records successifs tendent à confirmer le modèle cosmologique standard en vigueur, mais jusqu’à quand ? Peut-être jusqu’au prochain record de distance…


Références :

- The Discovery of the Most Distant Known Type Ia Supernova at Redshift 1.914
D.Jones et al. (dont Adam Riess)
The Astrophysical Journal  (10 mai 2013)

- Precision Measurement of the Most Distant Spectroscopically Confirmed Supernova Ia with the Hubble Space Telescope
D. Rubin et al. (dont Saul Perlmutter) (The Supernova Cosmology Project)
The Astrophysical Journal Volume 763 Number 1 (3 janvier 2013)
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La Relativité Générale Testée en Conditions Extrêmes Grâce à Sgr A*

Le   par
D’ici deux ans, le réseau de quatre radiotélescopes nommé le Event Horizon Telescope, qui a déjà révélé de nouvelles données sur Sgr A*,le trou noir central de notre galaxie, ainsi que sur celui, bien plus monstrueux, de la galaxie M87, augmentera énormément ses capacités d’observation. Une trentaine de radiotélescopes du réseau ALMA au Chili ainsi que le radiotélescope de 10 m du Pôle Sud (le bien nommé South Pole Telescope) rejoindront en 2015 le réseau de l’Event Horizon. L’ajout de ces unités permettra d’améliorer par un facteur deux la résolution accessible, en créant un radiotélescope virtuel de la taille de la Terre. Sheperd Doeleman du MIT, coordinateur du projet, précise que le radiotélescope ainsi constitué pourra faire des observations totalement inédites de Sgr A* et de son disque d’accrétion.
Il devrait notamment pouvoir observer un phénomène prédit par la théorie de la relativité générale qu’on appelle l’ombre du trou noir.
Région de Sgr A* vue par Chandra X-Ray (NASA/Chandra)
La matière qui se retrouve à proximité du trou noir et un peu trop proche se voit irrémédiablement entrainée par le monstre. Elle se trouve littéralement déchirée par les forces gravitationnelles et est chauffée à plusieurs centaines de millions de degrés, illuminant ainsi la zone entourant le trou noir. La plupart de ce rayonnement tombe également dans le trou noir, mais la petite partie de la lumière qui frôle l’horizon du trou se retrouve incurvée par la gravité pour former un fin anneau ou halo qui vient « dessiner » l’ombre du trou.
C’est en observant en détail la forme géométrique de cette ombre qu’il sera possible de tester si la relativité générale d’Einstein décrit correctement la distorsion de l’espace-temps observée, connaissant par ailleurs la masse de Sgr A* (4,1 millions de masses solaires) à l’origine de cette courbure.
Mais il y existe un autre moyen de tester observationnellement la relativité générale en conditions extrêmes.  Toujours autour de notre cher trou noir supermassif, une étoile brillante nommée S0-2, découverte il y a 20 ans, y gravite. Et il se trouve que S0-2 se rapproche en ce moment très près du TN. 
En 2018, elle parviendra à une distance du trou de seulement  4 fois la distance Soleil-Neptune, soit deux fois plus près que le nuage de gaz qui est actuellement en cours de route et dont nous avons déjà parlé (voir ici).
Le passage au plus près du trou de S0-2 sera exploité à la fois en observant la lumière émise par l’étoile, et comment celle-ci se retrouve décalée dans le rouge par le champ gravitationnel, ainsi que par l’enregistrement très fin de son mouvement orbital.
Simulation de l’ombre d’un trou noir (Smithsonian Astrophysical Observatory)
L’observation du redshift gravitationnel offrira une image de la courbure de l’espace-temps produite par Sgr A* et la trajectoire reconstruite en 3 dimensions de l’étoile (qui orbite autour du trou en 16 ans) devrait montrer si il existe un mouvement de précession de l’orbite du aux effets relativistes, et le quantifier… L’effet de précession est beaucoup plus difficile à mesurer que le décalage spectral, car l’environnement de Sgr A* est très encombré, mais l’équipe qui s’est lancée dans cette quête (menée par Andrea Ghez de UCLA, la grande spécialiste de ce qui tourne autour de Sgr A*) a trouvé très récemment une étoile voisine, seize fois moins brillante et ayant une orbite de 11,5 ans seulement, qui pourra aider à distinguer les perturbations gravitationnelles.
100 ans après les observations de Arthur Eddington concluant à la courbure de la trajectoire de la lumière par le soleil, qui donnèrent une preuve éclatante de la relativité générale Einsteinienne, les astrophysiciens d’aujourd’hui vont pouvoir pousser la relativité générale dans ses retranchements en observant au plus près l’enfant très singulier de la théorie.
Source :
Decade of the Monster
R. Cowen
Science 29 March 2013  Vol. 339 no. 6127 pp. 1514-1516

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Le Jour où Bételgeuse Explosa.

Le   par
C’était la veille de mon 71èmeanniversaire, comment oublier un soir pareil ? Le 14 février 2044, déjà plus de dix ans. Depuis tout petit j’aimais contempler le ciel pendant la saison hivernale, et surtout la constellation emblématique du ciel d’hiver, ce guerrier céleste d’Orion. Je ne me suis toujours pas fait à cette nouvelle forme, je l’avoue. Bételgeuse me manque.
Comment oublier ce soir de février lorsque je vécus en direct la fin annoncée de cet astre devenu monstrueux ? Et pourquoi devrai-je oublier après tout ?
Comme à mon accoutumée, j’étais dehors, il était presque 20h30, et je promenais mon regard entre les Pléiades, qui avait à ce moment-là la visite du gros Jupiter, et plus au sud mon cher Orion. Le ciel était d’une pureté indicible comme souvent en Provence.
Et puis ce fut le flash, ou plutôt l’allumage de ce phare. Mon regard était porté sur Bételgeuse et sa teinte orangée, je la regardais, oui, je la regardais à cette seconde précise, et je l’ai vue mourir. Mourir et se transformer en trou noir. J’ai reçu ses premiers photons gamma dans mes pupilles dilatées. Je fus le premier homme, avec des milliers d’autres, à savoir que Bételgeuse telle que des centaines de milliards d’humains l’avaient connue, n’était plus dans le ciel.
Je reçu sur toute la surface de ma peau ses neutrinos vieux de 450 ans, incrédule et joyeux en même temps, et pour tout dire inconscient de ce qui se passait dans la stratosphère.
Cet éclat presque aveuglant avait d’abord pris une teinte bleue, durant les quelques premières secondes qui me laissèrent sans voix, figé. Puis la blancheur fantômatique pris le dessus, j’ai même cru qu’elle produisait des ombres  alentours, mais je ne regardais qu’elle, croyant à peine à ce que je voyais. C’était pourtant la réalité, ce moment que j’attendais depuis enfant c’était finalement réalisé. Rien ne serait plus comme avant, nous étions entrés dans l’ère de la Supernova.
C’est vrai, depuis dix ans, l’astrophysique a supplanté toutes les autres sciences. L’humanité entière a été touchée par ce cataclysme stellaire finalement si proche de nous et s’est mise à s’intéresser de très près à tout ce qui se passe là-haut, au-dessus de nos têtes. Depuis que tous les détecteurs de neutrinos se sont affolés, cette particule étonnante n’a plus aucun secret pour des milliards d’hommes et de femmes qui auparavant ignoraient jusqu’à l’existence de ce monde fugace des particules produites dans les étoiles.
Depuis dix ans, la science qui étudie les interactions des rayons gamma avec l’atmosphère, ces gerbes gigantesques de particules chargées, a fait un tel pas de géant dans la compréhension que tout semble désormais à portée de main… sans parler de la physique des trous noirs que nous connaissions si mal avant.
Je l’aimais bien Bételgeuse et son halo rougeoyant au sommet d’Orion dans le vent glacé. Je l’imaginais souvent comme une sorte de pelote boursoufflée éjectant par périodes ces masses  d’hydrogène et d’hélium qu’elle souffla si vite cette nuit-là.
Bien sûr, il nous reste ce magnifique résidu, ce si bel anneau de gaz aux reflets rubis. Une nouvelle nébuleuse d’Orion, comme si la constellation n’en possédait pas déjà suffisamment. Il est certain que nous, qui avons été élevés dans l’admiration de la Grande Nébuleuse, celle du baudrier, nous aurons toujours du mal à expliquer aux jeunes générations qu’il y avait plus beau dans Orion que cette incroyable nébuleuse de la Perle, cette perle multicolore admirable par tous, le cadeau que nous a offert Bételgeuse en partant. Même si elle a supplanté tous les autres objets, le ciel est désormais riche de nombreux observateurs avertis qui ne se contentent plus d’admirer la Perle dès la nuit tombée.
Bételgeuse en explosant ce jour-là nous a ouvert les portes de l’Univers.
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