Joyau de la haute technologie européenne et première mission « type » du programme « Horizon 2000 » de l'Agence spatiale, ISO (Infrared Space Observatory ou laboratoire spatial pour l'infrarouge) fut lancé le 16 novembre 1995 avec pour mission d'observer l'Univers froid dans l'infrarouge, dans les longueurs d'ondes situées entre le visible et les ondes radio, ce qui est réservé aux observatoires spatiaux, l'atmosphère terrestre empêchant quasiment toute observation au sol.
Pour rappel, la mission d’ISO comprenait, entre autres, 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 aussi la charge de calculer le taux de formation d'étoiles dans les galaxies, d'étudier les fameuses galaxies infrarouges ultralumineuses, d'effectuer une plongée aux confins de l'Univers avec l'observation de quasars pour remonter jusqu'à la formation des premières galaxies. Il aura été bien au-delà de toutes ses promesses.
Les résultats obtenus au terme de ses 18 mois de mission ont été présentés le 25 août 1997 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 présentations 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 (Voir « Le rouge de l’azur » dans « Le Ciel » d’octobre 1997).
Ces premiers résultats firent aussi l’objet d’une note de synthèse
réalisée par l’ESA et publiée dans
« Le Ciel » de novembre 1997
sous le titre « ISO sonde nos origines cosmiques ».
Cette Assemblée fut encore l'occasion de l'annonce officielle
de la prolongation de la mission ISO portée à 28 mois au lieu
des 18 fixés dans les spécifications. Avec ce tiers de vie en plus,
le télescope est resté opérationnel jusqu'en avril 1998 et a augmenté
sa moisson d’autant (« Le Ciel » de juin 1998 sous le titre
« ISO,
passe-muraille cosmique »).
La première grande conférence scientifique consacrée à ISO depuis
la fin de la mission s'est tenue à Paris en octobre 1998 au siège
de l'UNESCO. Plus de 400 spécialistes de l'astronomie dans
l'infrarouge (IR) se sont réunis pour débattre des découvertes
les plus récentes du télescope ISO. Cette conférence dont le thème
était
« L'Univers vu par ISO » a été l'occasion de près
de 300 communications scientifiques couvrant tous les domaines
de l'astronomie, du Système solaire à la cosmologie.
Nous avons déjà eu un avant-goût de ces nouvelles découvertes d’ISO grâce à une note d’information de l’ESA intitulée « Des diamants dans l’espace » et publiée dans « Le Ciel » de mai dernier. Ce n’est certainement pas la plus spectaculaire ni la plus essentielle même si elle peut faire rêver les joailliers. Les quelques résultats que nous avons rassemblés ci-dessous permettent d’en avoir une meilleure idée.
Nous l’avions expliqué en détail en son temps. Le programme d'ISO comportait des missions destinées à pousser la porte des pouponnières que sont les gigantesques nébuleuses, essentiellement composées d'hydrogène, telle que la toute belle nébuleuse d'Orion, joyau de nos nuits d'hiver. La formation des étoiles au sein des nébuleuses apparaît aujourd'hui comme un phénomène complexe mettant en jeu des réactions en chaîne.
Si les mécanismes de formation des étoiles sont aujourd'hui assez bien connus, il existe encore certaines zones d'ombre. Les théories suggèrent notamment que lorsque plusieurs étoiles naissent dans une région particulière de l'Univers, le processus s'étend aux nuages de matières environnant. Grâce au télescope ISO, une équipe d'astronomes européens vient maintenant de confirmer cette hypothèse par l'observation de la nébuleuse Trifide.
Les étoiles se forment dans les nébuleuses par contraction gravitationnelle des nuages de gaz et de poussières. Il y a environ cent mille ans, ce phénomène a conduit à la naissance d'une étoile très massive dans la nébuleuse Trifide, une région située à un peu plus de 5 475 années de lumière de la Voie Lactée. L'énergie émise par cette étoile a modifié les conditions physiques et chimiques de son environnement, accélérant ainsi d'autres contractions gravitationnelles et provoquant la formation d'une nouvelle génération d'étoiles en une sorte de réaction en chaîne.
En pointant le télescope spatial à infrarouge ISO vers cette nébuleuse, l'astronome espagnol José Cernicharo de l'Instituto de Estructura de la Materia (Madrid) et ses collègues ont pu être les témoins privilégiés de ce phénomène rare. « La formation d'une étoile n'est pas un événement isolé, devait expliquer aujourd'hui Diego Cesarsky de l'Institut d'astrophysique spatiale (Paris) et membre de l'équipe. Les observations dans le visible avaient déjà poussé les astronomes à soupçonner ces phénomènes de cascades mais les poussières entourant les plus jeunes étoiles les empêchaient de confirmer cette hypothèse. »
Ce n'est que grâce à des observations dans l'infrarouge qui permettent de passer outre ce voile obscur que les astronomes ont pu établir la présence de plusieurs proto-étoiles d'une masse comprise entre 17 et 60 fois celle du soleil dans la nébuleuse Trifide. Cependant, il n'est pas encore exclu que ces proto-étoiles très massives constituent en fait des regroupements de plusieurs individus. De nouvelles observations dans l'infrarouge seront nécessaires afin de comprendre pleinement les mécanismes de formation des étoiles.
La galaxie d'Andromède, l'une des plus proches voisines de notre propre Voie Lactée, considérée jusqu'à ce jour par tous les astronomes comme un modèle de galaxie spirale, tenait bien cachée une de ses principales caractéristiques. Aujourd'hui, grâce à ISO, Andromède apparaît comme une spectaculaire galaxie entourée de multiples anneaux concentriques en formation, composés de poussières froides, où règne une température d'environ -206°C.
Les observations - telle cette structure concentrique en rotation - confirme qu'ISO peut dévoiler un visage complètement inconnu de l'Univers. « Avec son aptitude unique à regarder des régions du ciel d'un œil nouveau, ISO a rendu l'invisible visible », comme devait le souligner Martin Kessler, scientifique responsable du projet ISO à l'ESA.
Andromède, aussi dénommée M 31, est située à seulement deux millions d'années de lumière de nous, sa masse se révélant comparable à celle de notre galaxie. Une grande quantité de la poussière ainsi la plupart des gaz d'Andromède se retrouvent concentrés dans l'anneau le plus lumineux dans l'infrarouge. Il est aussi acquis que de nouvelles étoiles sont nées dans cet anneau, d'un radian de 10 kiloparsec, soit une distance équivalente à la position de notre Système solaire par rapport au centre de notre Galaxie ou 30 000 années de lumière.
Les anneaux sont composés essentiellement de poussière froide, de telle sorte qu'ils restent complètement invisibles aux télescopes terrestres conventionnels et ne se révèlent qu'en observation infrarouge. La température de cette poussière froide, presque - 260° C, étant considérablement inférieure aux estimations précédentes pose un nouveau problème aux astronomes qui devront expliquer le déficit de poussière à l'intérieur des anneaux par rapport aux d'étoiles en formations.
Les nouvelles informations fournies par ISO laissent à penser qu'Andromède transite peut-être actuellement par une phase au cours de laquelle elle se transforme progressivement en une galaxie à anneaux, que dans un lointain avenir les télescopes classiques pourront aussi observer comme telle. La formation d'étoiles dans ces anneaux et la lumière qui sera ainsi diffusée permettront de réaliser de telles images dans le spectre du visible.
Pour la première fois, des arcs gravitationnels ont été détectés dans l'infrarouge par ISO. Ceux-ci représenteraient de jeunes galaxies lointaines en collision, agrandies et déformées, dont l'image remonte à une époque où l'âge de l'Univers n'était que le tiers de son âge actuel, peut-être même moins. En révélant ces images, ISO nous dévoile par là même la face cachée de l'Univers à ses tout débuts.
Avant ISO, aucun arc gravitationnel n'avait été détecté dans ces longueurs d'ondes ; cette découverte constitue donc une belle victoire pour tous ceux qui, en butte à des prévisions pessimistes, avaient parié sur la capacité d'ISO à détecter de tels arcs gravitationnels dans l'infrarouge. Noyés dans la poussière interstellaire, ces arcs n'ont pu jusqu'à présent être détectés par aucun autre télescope.
Les arcs gravitationnels sont produits par la courbure de la lumière au voisinage d'objets extrêmement denses comme des amas de galaxies géants qui se comportent comme une lentille. Un phénomène d'amplification se produit lorsque cette lentille gravitationnelle s'intercale entre l’observateur terrestre et un objet bien plus lointain, qu'elle amplifie d'un facteur compris entre 2 et 10. Cet effet a pour conséquence de déformer l'image de l'objet lointain en l'étirant, d'où l'appellation d'arc gravitationnel.
Pour réaliser cet exploit, les astronomes utilisant ISO ont débuté leurs recherches en direction d'amas de galaxies, et particulièrement Abell 37 où ils ont détecté la présence d'un arc gravitationnel géant, traduisant l'image déformée d'Abell 2390, un ensemble de jeunes galaxies en collision. Dans ce cas très précis d'Abell 2390, le temps d'exposition de la caméra ISOCAM embarquée à bord d'ISO est exceptionnellement long puisqu'il a fallu pas moins de 16 heures pour en recueillir la lumière. Cela représente, considérant les caractéristiques orbitales d'ISO, les capacités maximales d'exposition d'ISOCAM vers une source donnée.
Déjà, les scientifiques d'ISO ont identifié des lentilles gravitationnelles dans d'autres amas et comptent bien consacrer FIRST, le prochain satellite infrarouge de l'ESA, à leur observation.
Grâce à ces résultats, les astronomes ont pu entrouvrir une nouvelle fenêtre en direction d'un Univers encore méconnu et dont les détails sont restés cachés jusqu'à ce jour. L'aptitude d'ISO de lancer un regard à travers la poussière interstellaire nous dévoile un jeune Univers tel qu'il apparaissait peu de temps après l'explosion originelle, celui-ci nous apparaissant beaucoup plus actif que tout ce que nous pensions jusqu'à présent.
Les résultats d'observations telles celle d'Abell 2390 étayent les hypothèses selon lesquelles une population de jeunes galaxies fusionnant entre elles engendrent des explosions d'étoiles, novae ou supernovae. Ainsi dans l'amas Abell 2390, il semble que les galaxies fusionnent intimement entre elles alors que sous l'œil d'ISO, il apparaît que se forme une population d'astres bien distincts.
Mais d'autres domaines de la cosmologie profiteront aussi des résultats d'ISO. Ainsi, il est déjà permis de dégager préférentiellement certaines versions de l'évolution de l'Univers. Les observations découlant d'ISO semblent confirmer le modèle suggérant que les types actuels de galaxie, spirale et elliptique, sont bien le résultat de la fusion de plus petites galaxies en plus grandes, puis en amas. Selon cette hypothèse, les galaxies naines, irrégulières, s'agglomèrent en galaxies spirales qui ultérieurement se transformeront en galaxies elliptiques.
La compréhension de ces processus devrait nous permettre de mieux comprendre l'Univers tel qu'il se présentait aux premières heures de son existence.
ISO a aussi découvert une nouvelle population de galaxies, les premiers objets que l'on connaisse qui contribuent à la lueur diffuse émise par le fond de l'Univers. Cette découverte va permettre de percer plus facilement le mystère de la formation des galaxies.
Une équipe d'astronomes français utilisant le télescope spatial ISO a ainsi détecté plus d'une vingtaine de galaxies lointaines en pleine évolution, soit qu'elles se mélangent pour former de plus grandes galaxies, soit qu'elles atteignent leur forme définitive. Ce sont les premiers objets connus qui contribuent, par leur énergie, à constituer le fond de rayonnement cosmique dans l'infrarouge, rayonnement qui forme la toile de fond de l'Univers et dont l'émission remonte à l'époque de la formation des galaxies. Les galaxies lointaines que l'on vient de découvrir constituent le « décor » de cette toile de fond.
(Il ne faut pas confondre le fond de rayonnement cosmique dans l'infrarouge et le fond de rayonnement dans les hyperfréquences qui emplit également l'Univers mais qui a été libéré peu après le Big Bang. Le fond de rayonnement dans les hyperfréquences constitue l'écho du Big Bang proprement dit alors que le fond de rayonnement dans l'infrarouge est le vestige du processus de formation des galaxies.)
Cette découverte va, pour la première fois, permettre aux chercheurs de mettre à l'épreuve différentes théories sur la formation des galaxies et donc de s'attaquer à un problème clé de l'astronomie, qui n'est toujours pas élucidé, celui de la naissance des galaxies. En effet, les télescopes actuels ne peuvent remonter aussi loin dans le temps (environ 12 millions d'années).
Cette équipe, sous la conduite de Jean-Loup Puget de l'Institut d'Astrophysique Spatiale de Paris, a pu surmonter en partie cet obstacle du fait, précisément, qu'elle était à la recherche des galaxies primitives en se concentrant d'abord sur l'étude de la toile de fond cosmique, le « fond de rayonnement dans l'infrarouge ».
Cette lueur diffuse qui emplit tout l'univers est un sous-produit de la formation des galaxies, un vestige de l'époque de la naissance des premières galaxies. On avait prévu son existence, il y a trente ans, et on savait qu'on pouvait la détecter uniquement aux longueurs d'ondes de l'infrarouge car la poussière qui entoure les jeunes galaxies les rend à la fois opaques dans le visible et lumineuses dans l'infrarouge. Or cette toile de fond s'est révélé très peu lumineuse : il y a deux ans, l'équipe de Jean-Loup Puget n'a pu la détecter qu'après une analyse poussée des données transmises par le satellite COBE de la NASA.
Le fond de rayonnement dans IR ayant été détecté, l'étape suivante devait consister à l'isoler des sources qui ont contribué à sa formation, c'est-à-dire, des jeunes galaxies en évolution qui forment le « décor » de cette immense toile de fond.
Les quelque 24 galaxies lointaines que l'équipe de Jean-Loup Puget a découvertes sont extrêmement faibles. Leur détection n'est due qu'à l'utilisation du photomètre ISOPHOT embarqué à bord d’ISO et qui est, sans nul doute, le télescope spatial dans l'infrarouge le plus performant et le plus sensible qui a jamais existé.
Parlant de sa découverte, Jean-Loup Puget a expliqué : « A l'origine, les astronomes ne pensaient pas trouver autant de sources mais bien que nous ayons rencontré un grand nombre de galaxies comme nous l'avions prévu, nous savions aussi que ces objets ne sont que la partie visible de l'iceberg. Notre méthode et des instruments plus sensibles, notamment le satellite FIRST de l’ESA qui doit prendre la succession d'ISO, nous permettront de découvrir de nombreuses autres sources ».
Lors de l'exploration du fond de rayonnement dans l'IR et de la recherche des différentes galaxies qui le forment, la tâche la plus difficile que l'équipe ait eu à entreprendre a été d'extraire toutes les émissions infrarouges provenant des sources proches comme la poussière de notre propre galaxie et du Système solaire.
« C'est un peu comme si l'on essayait d'écouter un oiseau dont le chant serait couvert par le bruit de la circulation » explique Jean-Loup Puget. L'une des implications les plus surprenantes de la découverte du fond de rayonnement dans l'IR, récemment confirmée par trois autres groupes d'astronomes examinant des données transmises par COBE, est que des étoiles, beaucoup plus nombreuses que ce que l'on pensait auparavant, se sont formées aux premiers temps de l'Univers.
Pour détecter les sources de faible luminosité contribuant à la lueur diffuse dans l'IR, il fallait élaborer une méthode spécifique. En un premier temps, les astronomes français ont travaillé sur des modèles informatisés pour déduire les populations de galaxies nécessaires à la production du fond observé, puis, ils ont défini les données de départ d'une étude dans l'infrarouge pour détecter la population prévue. C'est ainsi qu'ont commencé les recherches menées par le satellite ISO.
"Le photomètre ISOPHOT est le seul instrument actuel capable de détecter des objets de faible luminosité émettant dans les longueurs d'ondes avec lesquelles nous travaillons, c'est-à-dire au-delà de 100 microns" précise Jean-Loup Puget. La zone du ciel observée, le champ Marano, se trouve dans l'hémisphère sud ; elle a été explorée sous d'autres longueurs d'ondes, notamment celles qui sont exemptes du bruit des sources de premier plan.
La détection des 24 nouvelles sources infrarouges a prouvé que la méthode était fondée. Cette méthode permettra probablement de sonder les ténèbres de l'Univers, il y a plus de 12 millions d'années, période qui est au-delà de la portée des télescopes actuels et qui a vu la formation des premières galaxies. Cette découverte montre que l'exploration de cette période doit se faire dans les longueurs d'ondes de l'infrarouge.
Mais il reste encore beaucoup à faire, comme découvrir les nombreuses autres sources qui contribuent au fond de rayonnement dans l'infrarouge et calculer l'âge précis de cette nouvelle population de galaxies détectée par ISOPHOT.
« Si possible, nous devrons les trouver dans la lumière visible et mesurer leur distance et leur âge. Nous savons que les galaxies détectées à ces distances contribuent pour moins de 12% au fond de rayonnement dans l'infrarouge, ce qui signifie que la contribution la plus importante vient de sources plus faibles que nous n'avons pas encore découvertes. Nous avons encore beaucoup à faire dans ce domaine. » conclut Jean-Loup Puget.
Comme nous l’écrivions dans notre article intitulé « Orion appelle ISO » publié dans « Le Ciel » de septembre 1995 en détaillant la mission scientifique de cet observatoire spatial européen, ISO pourrait être en mesure de résoudre la question de la densité de matière de l'Univers, une matière qui, du coup, cesserait d'être sombre. Comme on le sait, cette masse obscure (ou masse cachée) représente environ 90 % de la masse totale de l'Univers. Une fois connue, cette masse nous dira si l'Univers est ouvert ou fermé. Ouvert, son expansion ne s'arrêtera pas; fermé, son expansion s'arrêtera pour faire place à une contraction fatale. Jusqu’au lancement d’ISO, les deux possibilités restaient envisagées. Comme on peut le comprendre, la cosmologie pourrait faire un fameux bond en avant et améliorer fondamentalement notre compréhension de l'Univers si ISO arrivait à confirmer l’une ou l’autre de ces deux hypothèses.
Et bien, ici encore ISO a répondu à toutes les attentes. Une équipe internationale d'astronomes vient d'obtenir de nouvelles données sur cette valeur de densité de matière grâce aux données que le télescope européen a pu collecter.
Cette équipe a mesuré pour la première fois l'abondance d'un élément chimique particulier, le deutérium, dans une pouponnière d'étoiles très actives de la nébuleuse d'Orion. Leurs résultats confirment que la quantité totale de matière ordinaire ne suffit pas pour stopper l'expansion de l'Univers et déclencher un jour son effondrement, le « Big Crunch ».
Le deutérium, un isotope de l'hydrogène, est un élément clé pour les astronomes qui étudient l'origine de l'Univers. La totalité du deutérium que l'on peut détecter aujourd'hui a été produite quelques minutes après le Big Bang et résulte d'un processus, dénommé nucléosynthèse primordiale, qui a également engendré quelques autres éléments comme l'hydrogène et l'hélium.
Le Big Bang est la seule et unique source de deutérium connue dans l'Univers. Les astronomes considèrent donc le deutérium comme un « élément fossile » recelant de nombreuses informations sur le cosmos.
L'abondance du deutérium aux premiers moments de l'Univers a un lien direct avec la quantité totale de matière ordinaire existante, dite « matière baryonique », c'est de cette valeur que dépend le sort ultime de l'Univers. En effet, selon les théories les plus couramment admises, si la quantité totale de matière dépasse une certaine valeur, appelée densité critique, l'Univers cessera à très long terme de se dilater et finira par s'effondrer lors du « Big Crunch ». Dans le cas contraire, l'expansion de l'Univers se poursuivra indéfiniment.
Il n'est toutefois pas facile de mesurer l'abondance du deutérium primordial. La quantité initiale de deutérium dans l'Univers au moment du Big Bang, il y a 10 à 15 milliards d'années, a depuis lors beaucoup diminué car cet élément est détruit dans les réactions nucléaires qui se produisent à l'intérieur des étoiles. Les astronomes ont mesuré des valeurs différentes de deutérium d'une région à l'autre et tentent d'en déduire l'abondance du deutérium au moment de Big Bang.
La nouvelle valeur obtenue par l'équipe internationale dirigée par Chris Wright (École de physique, Universty College, Canberra en Australie) et Ewine van Dishoeck (Observatoire de l'Université de Leiden aux Pays-Bas), qui a utilisé le spectromètre à grande longueur d'onde (LWS) embarqué sur ISO, permet pour la première fois de déduire l'abondance du deutérium dans une région de formation active d'étoiles, la Barre d'Orion, dans la nébuleuse du même nom, à 1500 années de lumière environ.
Le deutérium mesuré se trouvait confiné dans du deutérium d'hydrogène, la principale molécule de l'Univers contenant du deutérium. L'équipe a trouvé, dans la Barre d'Orion, un atome de deutérium pour 100 000 atomes d'hydrogène, ce qui correspond à d'autres mesures effectuées dans d'autres régions, qui indiquent que la quantité de matière ordinaire dans l'Univers ne suffit pas pour déclencher l'effondrement de celui-ci.
« Nous avons franchi une étape nous rapprochant du but que nous cherchons tous à atteindre : déterminer l'abondance du deutérium au moment du Big Bang », devait souligner Chris Wright. « Nous avons confirmation que la densité de matière ordinaire (baryonique) est inférieure à ce qu'il faudrait pour que l'Univers se referme ».
Ce résultat démontre également la faisabilité d'une nouvelle technique de mesure de la quantité de deutérium dans les régions de formation active d'étoiles, technique qui sera réutilisée par les prochains télescopes spatiaux dans l'infrarouge comme le télescope FIRST (Far InfraRed Space Telescope, c'est-à-dire télescope spatial dans l'infrarouge lointain et le domaine submillimétrique), que l'ESA doit lancer en 2007.
La communauté scientifique s'attend maintenant à un flot d'autres découvertes grâce à ISO, les données du satellite étant depuis peu accessible aux astronomes du monde entier. Les archives d'ISO, une véritable mine, contiennent en effet environ 30 000 observations scientifiques. Elles se trouvent au Centre des données d'ISO (IDC) à Villafranca, en Espagne et sont accessibles gratuitement.
En attendant, nous avons déjà au moins une certitude, celle que l'Univers ne reviendra pas sur ses pas.
Vous avez dit Univers? Oui, infiniment!
Pierre Bastin
(sur documents ESA)
(Cet article a été publié dans la revue "Le Ciel", bulletin de la Société astronomique de Liège, de septembre 1999)