Source essentielle d'information, le rayonnement électromagnétique est constitué d'ondes rayonnées dans l'Univers tant par la matière condensée d'astres comme les étoiles que par la matière diffuse des espaces interstellaires.
Il transporte la quasi-totalité de l'information sur laquelle est aujourd'hui bâtie l'astrophysique dont le but, faut-il le rappeler, est de décrire, de comprendre et de prévoir l'ensemble des phénomènes physiques qui se produisent dans l'Univers: composition, processus physico-chimiques, nature de la matière cosmique, des astres, interaction nucléaire, composition isotopique de la matière, etc. Notre connaissance de l'Univers provient presque exclusivement de l'étude du rayonnement électromagnétique dont le spectre comprend une vaste gamme d'ondes, de fréquences et de longueurs d'onde diverses: ondes hertziennes, infrarouges, lumière visible et ultraviolets pour les énergie faibles; rayons X et rayons gamma pour les hautes fréquences.
Il y a peu, le domaine de l'infrarouge, surtout lointain, constituait la dernière fenêtre encore très peu explorée de ce spectre électromagnétique. C'est un domaine extrêmement riche puisqu'il englobe tout l'Univers à basse température (grandes longueurs d'onde représentées par la couleur rouge).
L'astronomie infrarouge a un champ d'application particulièrement vaste: la composition et la physique des atmosphères des planètes géantes, la composition et la photométrie des étoiles froides, la spectrophotométrie des régions du milieu interstellaire où le gaz est ionisé, la répartition de la poussière et des molécules interstellaires et celles des étoiles de grande masse. De plus, la connaissance de la distribution des sources infrarouges extragalactiques constitue actuellement l'un des meilleurs indicateurs de la structure de l'Univers.
L'examen de l'infrarouge lointain (sources infrarouges froides) permet l'étude des nébuleuses, des poussières et des nuages interstellaires, des premières phases de la formation des étoiles au travers de nuages interstellaires obscurs, des activités stellaires précoces, des éjections de matière des proto-étoiles; de mesurer l'âge des sources émettant dans l'infrarouge lointain (quelques dizaines de millions d'années).
Bref, le domaine infrarouge présente en effet un grand intérêt scientifique, car c'est dans cette partie du spectre que les objets froids (15 - 300° K) rayonnent la plus grande partie de leur énergie, mais aussi parce que les spectres IR livrent de nombreuses informations sur la composition de la matière (atomes, ions, molécules, matière solide).
Les mesures faites dans ces longueurs d'onde doivent permettre de déterminer de nombreux paramètres physiques tels que bilan d'énergie, température, abondance, densité et vitesse, intéressant les sources observées. Fallait-il encore l'instrument approprié.
Lancé par une Ariane IV à partie du deuxième ensemble de tir du Centre spatial européen à Kourou (Guyane française), le 16 novembre 1995 à 22h20, heure locale, ISO (Infrared Space Observatory), satellite d'astrométrie, destiné à observer en détail l'Univers froid dans l'infrarouge, dans les longueurs d'onde de 2,5 à 200 microns, joyau de haute technologie, est la première mission " type " du programme " Horizon 2000 " de l'Agence spatiale européenne. Ce télescope spatial est capable de " voir " un homme situé à une distance de 100 km et de mesurer la chaleur rayonnée par le cube de glace placé dans sa main!
ISO est l'instrument qu'il fallait pour étudier des objets proches du Système Solaire jusqu'aux sources extragalactiques les plus lointaines. Premier véritable observatoire spatial d'astronomie au monde à travailler dans les longueurs d'onde de l'infrarouge, c'est un instrument d'une sensibilité de plusieurs centaines de fois supérieure à ce qui a pu être obtenu jusqu'à présent. C'est fabuleux par rapport aux performances réalisées par le satellite américano-hollando-britannique IRAS (Infra-Red Astronomy Satellite). En 1983 et pendant dix mois, IRAS a exploré le ciel et révélé plus de 250.000 sources infrarouges jusqu'alors inconnues.
Sa charge utile comprend un télescope du type Ritchey-Chrétien doté d'un miroir primaire d'une focale de 9 m et d'une ouverture de 60 cm de diamètre, et de quatre instruments montés sous le miroir primaire: une camera (ISOCAM), un photopolarimètre (ISOPHOT), un spectromètre de courtes longueurs d'onde (SWS) et un spectromètre de grandes longueurs d'onde (LWS). L'ensemble a été calibré, étalonné, certifié au Centre spatial de Liège (ex IAL SPACE), Centre de recherche de l'Université de Liège et Facilité coordonnée de l'Agence spatiale européenne (notre article dans le Bulletin de juin 95).
Il est aussi important de rappeler que pour observer le " froid ",
ISO doit être refroidi en permanence
à 2° K (-271° C), soit environ 2°
au-dessus du zéro absolu. Il est maintenu dans une sorte de Thermos
contenant 2.400 litres d'hélium liquide, en lente " ébullition ".
Tant que dure son évaporation dans l'espace, cet hélium réfrigérant
maintient le télescope et ses instruments dans les conditions
de fonctionnement optimales, assurant ainsi à la mission une durée
de vie estimée au départ à 18 mois.
Placé sur une orbite terrestre très elliptique ayant une période de 24 heures, avec un périgée de 1.000 km et un apogée de 70.500 km, ISO passe environ seize heures par jour à l'extérieur des ceintures de protons et d'électrons captifs qui entourent la Terre, pendant lesquelles ses instruments scientifiques fonctionnent à leur maximum de sensibilité avec une précision rare.
Cette mission comprenait l'étude des nébuleuses diffuses, l'exploration du centre galactique, l'abondance des éléments dans la Voie lactée, les mécanismes qui président aux ultimes étapes avant l'allumage nucléaire des étoiles, les étoiles qui ne démarreront jamais comme les naines brunes, de masse trop faible, que l'on suppose être nombreuses et dont l'existence n'a encore jamais été confirmée par l'observation.
ISO avait la charge de calculer le taux de formation d'étoiles dans les galaxies, d'étudier les fameuses galaxies infrarouges ultralumineuses également découvertes par IRAS, d'effectuer une plongée aux confins de l'Univers avec l'observation de quasars pour remonter jusqu'à la formation des premières galaxies.
ISO est bien l'instrument astronomique attendu avec le plus d'impatience par la communauté internationale des astrophysiciens. Prendre enfin possession de l'Univers dans ce qu'il a de plus intime, accéder à la transparence, aux secrets de la naissance des étoiles au sein de la matière sombre des nébuleuses, entrer enfin dans les pouponnières célestes bien cachées aux regards terrestres.
Qu'en est-il maintenant qu'ISO est arrivé au terme de ses 18 mois de missions? Les résultats obtenus ont été présentés le 25 août dernier aux astronomes du monde entier réunis à Kyoto, au Japon, à l'occasion de la XXIIIème Assemblée générale de l'Union Astronomique Internationale à laquelle participèrent plus de 1600 astronomes du monde entier. Une journée entière a été consacrée à une session spéciale pendant laquelle dix-huit présentation distinctes ont illustré l'importance d'ISO pour différents domaines de l'astronomie allant des observations lointaines et de la cosmologie à notre propre Système Solaire en passant par des études du milieu galactique et extragalactique.
Une partie des travaux présentés au cours de cette Assemblée a fait l'objet d'une petite synthèse diffusée par l'ESA et intitulée " ISO sonde nos origines cosmiques ". (Voir "Le Ciel" de novembre). A l'évidence, ISO a permis à l'astronomie européenne et mondiale d'effectuer une incursion sans précédent dans l'Univers particulièrement riche et fécond que recèle le ciel infrarouge et de lui apporter une vision entièrement renouvelée de l'Univers.
Les résultats n'ont cessé de pleuvoir. Dès le 28 novembre 1995, soit douze jours après sa mise sur orbite, ISO ouvrait les yeux et livrait ses premières images dans l'infrarouge, celles de la superbe galaxie spirale M51 et de son compagnon (les Chiens de Chasse), emblème de la SAL, distante de 20 millions d'années de lumière. Ces images font apparaître des régions de formation d'étoiles dans les bras spiraux de la galaxie et de chaque côté du noyau. Le lendemain, son télescope pointait l'étoile Gamma du Dragon. Depuis, l'ESA nous transmet des données précisant les étapes de ce qui s'avère être aujourd'hui une véritable chevauchée fantastique dans la lumière invisible et froide de l'infrarouge.
Les premiers résultats présentés en février 1996 mettent en évidence les catastrophes galactiques productrices de pépinières d'étoiles, cataclysmes qui se produisent lors des collisions de galaxies, événements les plus spectaculaires qui se produisent depuis l'origine de l'Univers. Ces mêmes résultats font aussi état de la découverte de molécules à l'état solide sous forme de glaces, certaines d'entre elles jamais observées jusqu'ici dans l'espace, notamment de la glace de cyanure d'hydrogène.
Ainsi, parmi les résultats remarquables d'ISO enregistrés en 1996, figure la détection de traces d'eau " cosmique ". L'eau que nous buvons et celle qui compose les océans trouvent leur origine dans les étoiles. A proximité des étoiles mourantes, on observe clairement de la vapeur d'eau, issue de l'association d'hydrogène existant et des atomes d'oxygène produits par les étoiles. De l'eau apparaît ainsi lors de la formation de nouvelles étoiles et de nouvelles planètes dans le milieu interstellaire. Ce phénomène s'est produit lors de la naissance du Système solaire et a ainsi engendré l'eau, qui représente plus de la moitié du poids d'un être humain.
ISO a, par ailleurs, observé de l'eau sous forme de glace dans les zones plus froides autour d'étoiles et dans la matière entourant les jeunes étoiles. Des planètes peuvent naître à partir de cette même matière. Les comètes constituent une catégorie intermédiaire et il est possible que la Terre à peine formée, ait reçu une partie de son eau à l'occasion de bombardements cométaires.
Publié fin novembre 1996, un numéro spécial de la revue " Astronomy and Astrophysics " est aussi consacré aux premiers résultats d'ISO. Ses quelque nonante articles rendent compte d'observations allant des planètes aux galaxies. L'un d'eux propose une réponse à la question: " Les galaxies les plus brillantes trouvent-elles leur énergie dans des taux extraordinaires de formation d'étoiles ou abritent-elles des noyaux actifs contenant un trou noir? "
Un commentateur indépendant, Gerry Gilmore, de l'Institut d'astronomie de Cambridge écrit dans la revue anglaise " Nature " de novembre: " Les articles sur ISO parus dans " Astronomy and Astrophysics " apportent une réponse claire à cette question. Le résultat remarquable obtenu par ISO est, que sur trois galaxies ultralumineuses étudiées dans l'infrarouge, aucune n'a besoin d'un noyau actif pour expliquer ses émissions, qui sont dues à un taux important de formation d'étoiles. "
Tous ces articles ne sont qu'un avant-goût des centaines d'articles qui seront publiés au fur et à mesure de la progression des programmes d'observation et du traitement des données. A cette date un seul petit pour-cent de l'étude systématique d'une portion de la Voie lactée est abordée alors qu'ISO a déjà observé des milliers de sources infrarouges et que les surprises ont été nombreuses de telle manière qu'il faudra revoir les manuels d'astronomie!
Dans une note du 28 mars dernier, l'ESA annonçait: " En remontant la filière des minéraux, ISO traque l'origine de la Terre et des étoiles ". Les comètes contiennent les reste de la matière première à partir de laquelle se sont formés la Terre et les autres planètes du Système solaire. Une confirmation spectaculaire de cette hypothèse formulée depuis longtemps par les astronomes a été fournie par la détection d'olivine (*) dans la comète Hale-Bopp par ISO. Dans sa livraison du 28 mars, la revue américaine " Science " publiait un rapport sur ces observations faites par une équipe européenne et américaine conduite par Jacques Crovisier de l'Observatoire de Paris-Meudon.
" ISO détecte les mêmes matières dans la comète Hale-Bopp que dans les nuages de poussières qui entourent les étoiles " note Jacques Crovisier. " L'un des principaux constituant de la poussière stellaire comme de la poussière cométaire est l'olivine sous forme cristalline. Or, c'est également l'un des principaux éléments constitutifs du manteau terrestre. Nous pouvons maintenant affirmer avec une quasi-certitude que nous nous trouvons sur un amas solidifié de poussières minérales semblables à celles que contiennent les comètes qui évoluaient autour du Soleil il y a 4500 millions d'années ".
Dans le cadre d'un programme apparenté, une équipe sous direction belge a étudié la composition de poussières à proximité de très jeunes étoiles. Elle a également découvert des cristaux d'olivine. La confirmation de la présence de cristaux d'olivine permet d'établir un lien entre les étoiles et les minéraux du Système solaire.
La preuve la plus claire de la présence de cristaux d'olivine provient d'observations réalisées aux abords de HD 100546, une jeune étoile bleue à environ 500 années de lumière, près de la Croix du Sud. Cette étoile n'a probablement que quelques millions d'années et elle émet fortement dans l'infrarouge. HD 100546 présente en outre de curieuses raies d'absorption dans l'ultraviolet enregistrées par le satellite IUE (voir Le Ciel de décembre) qui seraient dues à des impacts de comètes ou d'astéroïdes.
Pour Christoffel Waelkens de Louvain, il semble qu'un énorme nuage de comètes entoure cette jeune étoile. " Nous pensons, dit-il, que c'est à partir d'un nuage cométaire exactement de ce type, entourant notre jeune Soleil, que la Terre et les autres planètes se sont formées. Nous comparons maintenant nos notes avec celles de collègues qui étudient les minéraux présents dans les comètes et les météorites proche de nous. On peut donc inscrire parmi les succès d'ISO, et ce n'est pas le moindre, d'avoir jeté un pont entre l'astrophysique stellaire et l'étude du Système solaire."
Toujours au mois de mars, ISO découvrait des molécules de fluorure dans un nuage de gaz interstellaire à environ 20.000 années de lumière de la Terre, dans la constellation australe du Sagittaire. Bien que l'on ait détecté une centaine de molécules différentes dans le milieu interstellaire au cours des 30 dernières années, c'est la première fois que l'on observe une molécule contenant du fluor dans un gaz interstellaire. Cette découverte de fluorure d'hydrogène vient de faire l'objet d'une publication dans " Astrophysical Journal Letters ".
Nous n'étendrons pas la chronique de ce succès spatial. D'autres occasions se présenteront, d'autres raisons aussi de la poursuivre. Alors que l'observatoire spatial dans l'infrarouge ISO aurait dû se trouver aujourd'hui à court d'hélium, vingt mois après son lancement, l'ESA vient de porter sa durée de vie active à plus de 28 mois au lieu des 18 fixés dans les spécifications.
Grâce à une excellente préparation technique, des circonstances de lancement favorable et une perte d'hélium quotidienne inférieure de 17 % au niveau escompté, atteignant la limite la plus basse d'un éventail de possibilités envisagées par les ingénieurs, ISO devrait, selon les calculs actuels, rester opérationnel jusqu'en avril 1998.
Un tiers de vie en plus! Quand on sait qu'ISO examine en moyenne 45 objets cosmiques chaque jour, on imagine aisément le bonheur des scientifiques et leurs espoirs en la découverte de nouvelles données inestimables sur l'histoire et la chimie du cosmos.
Parmi les cibles principales de l'astronomie infrarouge, il en existe un certain nombre dans la direction de la constellation d'Orion. Depuis la mise en place du projet ISO, conduit depuis 1983, les espoirs sont haut placés pour Orion. Ce n'est pas sans raison si nous titrions notre présentation générale de la mission, publiée ici même en septembre 95, " Orion appelle ISO ".
Faute de pouvoir prolonger la mission, il n'était pas certain qu'ISO pourrait observer cette partie du ciel. Le télescope doit obligatoirement rester à l'abri du rayonnement infrarouge émis par la Terre et le Soleil, ce qui implique des contraintes d'orbites.
En août dernier, ISO a eu une première, difficile et courte occasion d'examiner le secteur d'Orion. La mission étant prolongée, ISO pourra procéder, en février 1998, à une série durable d'observations d'Orion. A l'occasion de ce qui devrait être son " chant du cygne ", peu avant l'épuisement complet de son réservoir d'hélium, la communauté scientifique espère vraiment réaliser de spectaculaires découvertes.
" Les astronomes s'apprêtent à tirer d'énormes avantages de la prolongation de la mission d'ISO ", déclarait, il y a peu, Martin Kessler, responsable scientifique du projet. " Maintenant que nous savons comment obtenir les meilleurs résultats possibles de cet observatoire spatial, (...). Les plus grandes pouponnières d'étoiles de notre voisinage s'étendent sur l'ensemble des constellations d'Orion et du Taureau, dont la célèbre nébuleuse d'Orion n'est que le point le plus brillant. En février-mars 1998, ISO passera une partie de son temps à traquer des étoiles en formation cachées dans les nébuleuses d'Orion et du Taureau. Voilà un atout considérable, et les résultats pourraient compter parmi les plus remarquables du tableau de chasse de cet observatoire. "
Directrice de recherche au CEA à Saclay (France) et responsable de la caméra d'ISO, Catherine Cesarsky précise: " Ce qui m'intéresse le plus avec ISO, c'est le fait que, grâce à sa sensibilité, nous pouvons observer des sursauts de formations d'étoiles dans des galaxies très jeunes et étudier l'histoire des galaxies de leur origine à nos jours. C'est seulement en étudiant d'autres galaxies que nous pourrons comprendre pleinement ce qui se passe dans la nôtre, la Voie lactée, et notamment comment les conditions de la vie y ont été réunies."
Avec ISO, le rouge de l'azur est au beau fixe.
Pierre Bastin
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(*) Olivines: silicates, principalement de magnésium et de fer,
que l'on trouve en abondance sur Terre, mais aussi dans des roches
lunaires et des météorites.
(Cet article a été publié dans la revue "Le Ciel", bulletin de la Société astronomique de Liège, d'octobre 1997.)