Jusqu'à la seconde guerre mondiale, pratiquement, toute l'information que nous possédions sur l'Univers nous la devions à l'observation de la lumière visible. Et pour cause! Les observations astronomiques ne sont possibles à l'aide de télescopes "au sol" que dans quelques portions du spectre électromagnétique.
Le spectre électromagnétique comprend une vaste gamme d'ondes, de fréquences et de longueurs d'onde très diverses : la fréquence va des grandes valeurs, de l'ordre de 1023 hertz jusqu'aux plus petites, vers 103 hertz, et les longueurs d'onde correspondantes vont de 10-14 à 105 mètres.
Il n'est jamais inutile de le rappeler. La lumière est constituée d'ondes qui se déplacent dans l'espace à la vitesse de 300 000 km par seconde (299 792,458 km exactement), et qui présentent certaines analogies avec les vagues. La distance entre deux crêtes est la longueur d'onde. Le nombre de crêtes passant par seconde devant un observateur est la fréquence. Le produit de la longueur d'onde, en mètre, par la fréquence, en herts, vaut c=3 108 m/s.
Les ondes électromagnétiques, constituées d'ondes rayonnées dans l'Univers tant par la matière condensée d'astres comme les étoiles que par la matière diffuse des espaces interstellaires, consistent en des variations du champ électromagnétique se propageant dans le vide.
Les ondes électromagnétiques sont produites par des charges (particules chargées) électriques accélérées. Elles sont constituées d'un champ électrique et d'un champ magnétique oscillants, perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. Elles peuvent être détectées à de très grandes distances. En outre, elles transportent de l'énergie, ce qu'on appelle de la quantité de mouvement.
En effet, les ondes électromagnétiques ont des effets énergétiques selon leur fréquence. Lorsque celle-ci est basse, leur énergie est faible et le moindre obstacle les arrête (c'est le cas des ondes hertziennes, des infrarouges, de la lumière visible et des ultraviolets); les radiations de haute fréquence (rayon X, rayons gamma) sont beaucoup plus énergétiques. On connaît assez les effets destructeurs des rayons gamma issus des transformations nucléaires.
Une loi importante de la physique, la loi de Wien, exprime que la longueur d'onde d'un rayonnement est inversement proportionnelle à la température du corps qui l'émet. Ainsi, les rayonnements gamma, X et ultraviolets sont émis par des objets très énergétiques ou très chauds alors que les rayonnements infrarouge et radio sont caractéristiques d'objets plutôt froids.
On peut rappeler aussi que la lumière visible couvre une gamme de longueurs d'onde allant d'un peu moins de 400 nm à environ 700 nm ( 1 nanomètre, nm, vaut 10-9 mètre) et que l'œil humain distingue des différentes longueurs d'onde de cet intervalle comme des couleurs. Le violet et le bleu sont les longueurs d'onde les plus courtes, tandis que l'orange et le rouge sont les plus longues.
Dans la plupart des domaines spectraux, la radiation est absorbée dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre et ne peuvent pénétrer jusqu'au niveau des observatoires d'altitude. D'où la naissance de l'astronomie spatiale.
Comment accéder aux autres informations? La mise au point de fusées de plus en plus puissantes a permis la naissance et l'essor de l'astronomie spatiale. Nous avons aujourd'hui une meilleure maîtrise de l'information que nous recevons de l'Univers. Mais celle-ci est encore loin d'être complète. Chaque particule des rayons cosmiques est un véritable "reporter" des événements cosmiques. Il reste à se donner les moyens d'enregistrer les informations avec toujours plus d'acuité et de passer du stade de la simple collecte au stade de l'exploration.
Les différentes missions de la NASA et de l'Agence Spatiale européenne attestent de cette
volonté d'obtenir progressivement une couverture de plus en plus complète du rayonnement
électromagnétique. La cohérence du programme spatial de l'ESA est particulièrement
remarquable en ce domaine. Ce programme, dénommé
"Horizon 2000", offre la possibilité
d'explorer l'Univers dans l'ensemble des longueurs d'onde du spectre électromagnétique,
depuis les ondes radio jusqu'aux photons gamma.
Ce programme "Horizon 2000" comprend :
- dans le domaine sub-millimétrique et infrarouge lointain : FIRST (Far Infrared Space
Telescope), lancement prévu pour l'an 2002. Il succédera à ISO;
- dans le domaine de l'infrarouge : ISO (Infrared Space Observatory), (novembre 1995 - août
1997, voir "Le Ciel" de juin 95, septembre 95, octobre et novembre 97, juin 98);
- dans le visible : HIPPARCOS, astrométrie, mission lancée en 1989 et terminée en août
1993;
- HUBBLE (NASA-ESA), télescope spatial dont la mission est toujours en cours;
- dans l'ultraviolet : IUE (International Ultraviolet Explorer), mission NASA - ESA -
Royaume-Uni, (mission achevée en septembre 96, voir "Le Ciel" de décembre 96);
- dans le domaine des rayons X : XMM (X-Ray Multi-Mirror) dont le lancement est prévu
pour 1999;
- dans le rayonnement gamma: INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics
Laboratory) pour la chasse aux trous noirs et aux étoiles à neutrons, lancement prévu en 2001.
En 1975, le premier satellite lancé par l'ESA était l'observatoire gamma COS-B, initialement prévu pour une mission de deux ans, il restera opérationnel pendant 80 mois. Deuxième satellite dédié à l'observation du ciel dans cette frange du spectre, il succédait à l'américain SAS-2 (small Astronomical Satellite, allias Explorer 48) lancé en 1972.
Forts de ces premiers succès, Américains et Européens étudièrent des satellites qui devaient prendre leur succession. Aux USA, le satellite GRP (Gamma Ray Observatory) fut lancé par la navette en avril 1991 sous le nom d' "observatoire Compton". En Europe, un projet similaire, baptisé GRASP (Gamma Ray Astronomy with Spectroscopy and Positioning) était présélectionné par l'ESA en 1988, mais finalement non retenu. Cependant qu'en Russie, en 1989, le satellite Granat emportait le télescope gamma français SIGMA (Système d'Imagerie Gamma à Masque Aléatoire). Pour compléter et poursuivre leurs travaux, les Européens décidèrent, lors de la réunion du comité du programme scientifique de l'ESA des 3 et 4 juin 1993, de mettre en chantier l'ambitieux projet INTEGRAL.
Le mardi 22 septembre dernier à son Centre d'essai ESTEC (Noordwijk, Pays-Bas), l'ESA a levé le voile sur INTEGRAL, son observatoire d'astronomie dans le rayonnement gamma et dont la mission pilotée par l'ESA aura un caractère international : la Russie fournit le lanceur et la NASA assure la poursuit avec son Réseau pour l'espace lointain. INTEGRAL sera lancé de Baïkonour en 2001 par une fusée russe Proton. Les instruments qu'il emportera, de 10 à 50 fois plus sensibles que ceux de précédentes missions, permettront de repousser les frontières de l'astronomie gamma.
Mesurant cinq mètres de hauteur et pesant plus de quatre tonnes, INTEGRAL passera la plus grande partie de sa vie orbitale au-delà des ceintures de radiation, à une altitude minimum de plus de 46 000 kilomètres. Il fera le tour de la Terre en 48 heures et pourra observer l'Univers en permanence.
Il comporte deux instruments principaux pour observer les rayons gamma. Un dispositif imageur fournira des images extrêmement piquées des rayons gamma. Les rayons gamma ne peuvent pas être réfléchis par une lentille de verre ou un miroir, c'est pour cette raison qu'INTEGRAL produira ses images au moyen d'un masque codé. Pour l'essentiel, un télescope à masque codé se présente sous la forme d'une caméra de type sténopé (petit trou percé dans une plaque très mince et faisant office d'objectif photographique), avec toutefois une ouverture plus grande, c'est-à-dire qu'elle comporte de nombreux "trous d'épingles".
Un spectromètre mesurera avec une très grande précision les énergies des rayons gamma et sera cent fois plus sensible que le précédent instrument spatial à haute résolution spectrale. Cet instrument se compose d'un détecteur en cristal de germanium, de haute pureté, qu'il faut refroidir à moins 188 degrés Celsius.
L'imageur et le spectromètre sont complétés par deux autres instruments de surveillance qui jouent un rôle essentiel dans la détection et l'identification des sources de rayons gamma. Un moniteur de rayons X, observera ces rayons.
INTEGRAL aura pour mission première l'observation du plan et du centre galactique riche en sources gamma, mais devra également rechercher des sources gamma extragalactiques, telles que des noyaux de galaxies actifs ou des amas de galaxies. L'une de ses priorités sera également l'étude des "objets compacts" comme les étoiles à neutrons, les trous noirs, les novae et supernovae.
Décrypter les phénomènes alchimiques de l'Univers qui fabriquent les éléments constitutifs des étoiles et des galaxies et percer le mystère de la fin de vie des étoiles, telles seront les tâches d'INTEGRAL. Les rayons gamma sont un millions de fois plus énergétiques que la lumière visible et nous renseignent sur les phénomènes physiques stupéfiants qui sont à l'origine de la nucléosynthèse et de l'apparition de la vie dans l'Univers.
Comme nous l'avons vu, les rayons gamma constituent la forme d'énergie la plus élevée du rayonnement électromagnétique. L'astronomie dans le rayonnement gamma explore donc les phénomènes les plus énergétiques se produisant dans la nature et s'attaque à quelques uns des problèmes fondamentaux de la physique. Nous savons, par exemple, que la plupart des éléments chimiques de notre organisme proviennent d'étoiles mortes de longue date. Mais, comment ces éléments se sont-ils formés? INTEGRAL aura pour mission de prouver que les rayons gamma ont un rôle à jouer dans l'apparition de ces éléments.
La plus grande partie du temps d'observation sera ouverte à la communauté astronomique mondiale, notamment grâce à un programme d' "expérimentateurs invités" qui fera l'objet d'un appel à propositions. Le reste de la mission sera réservé aux instituts de recherche ayant développé la charge utile.
Les rayons gamma se manifestent également lorsque la matière pénètre dans les champs gravitationnels extrêmes des compressions stellaires ou des trous noirs. L'un des objectifs scientifiques majeurs de la mission INTEGRAL sera d'étudier ces objets compacts que sont les étoiles à neutrons et les trous noirs. Outre les trous noirs stellaires, il existe probablement des spécimens beaucoup plus gros de ces objets extrêmement denses. La plupart des astronomes pensent qu'au cœur de notre galaxie, la Voie Lactée, tout comme au centre d'autres galaxies, se trouvent probablement des trous noirs géants. INTEGRAL devra prouver l'existence de ces objets exotiques.
Les bouffées de radiations extrêmement puissantes qui apparaissent brusquement dans le domaine gamma pour disparaître quelque temps après sont encore plus étranges que le rayonnement hautement énergétique émanant du centre de galaxies distantes. Ces sursauts gamma semblent être les plus grosses explosions jamais observées dans l'Univers. Personne n'en connaît l'origine. INTEGRAL aura ainsi pour mission de percer ce mystère.
En effet, on ne sait encore rien de l'origine des émission intenses et imprévisibles, telles des sources transitoires, de rayonnement gamma observé dans l'Univers, et appelés sursauts gamma.
Une fois par jour, un sursaut de rayonnement gamma d'une incroyable intensité est émis dans l'espace, et toujours à un endroit totalement imprévisible. Ces manifestations, aussi brèves que violentes durent généralement de une à dix secondes.
D'abord, l'intensité de ces émissions augmente pour devenir détectable, puis cette intensité varie avant de disparaître. Sauf dans quelques rares cas, on n'a jamais enregistré plus d'une émission dans une direction donnée, et on n'est jamais parvenu formellement à identifier aucune de ces émissions avec une source déjà connue dans d'autres rayonnements électromagnétiques.
Lorsqu'ils atteignent leur intensité maximale, ces sursauts gamma sont de loin les émissions de rayonnements gamma les plus intenses du ciel. Pour se donner une petite idée, les émetteurs de rayons gamma produiraient plus d'énergie en une seconde que le Soleil en une semaine.
INTEGRAL devrait aider les chercheurs à répondre à certaines questions fondamentales sur les propriétés de ces émetteurs gamma qui pourraient bien être, dans un certain nombre de cas, des étoiles à neutrons.
Rappelons qu'une étoile à neutrons est une étoile très petite et très dense, qui se forme pendant les dernières étapes de son évolution. Son rayon est d'une dizaine de km, sa densité centrale peut dépasser 10-10 kg par centimètre cube. Des champs gravitationnel et magnétique très intenses règnent à sa surface et constituent certainement une source énergétique suffisante pour être à l'origine d'une émission de rayons gamma.
Si l'on prend comme exemple le célèbre pulsar du Crabe, issu d'une explosion de supernova et qui a engendré la nébuleuse du même nom dans la constellation du Taureau, la masse de celui-ci est environ 300 000 fois supérieure à celle de la Terre et son rayon 400 fois plus petit, ce qui implique que la force gravitationnelle à sa surface devrait être de l'ordre de 48 milliards de fois supérieure à celle que nous subissons sur Terre. A la surface de cette étoile à neutrons, un homme pèserait quelque 4 milliards de tonnes!
Cousins des étoiles à neutrons, les pulsars et autres radio pulsars, sont aussi de fantastiques objets issus d'explosions stellaires qui ont failli donner naissance à un trou noir. Étranges toupies cosmiques, elles tournent sur elles-mêmes jusqu'à plusieurs centaines de fois par seconde. En véritables prédateurs, les pulsars peuvent se livrer à des festins cannibales en se nourrissant des étoiles géantes qui se trouvent dans leur voisinage.
Il existe aussi les systèmes doubles d'étoiles à neutrons. La collision d'étoiles à neutrons pourrait être la dernière étape de la vie d'un système double. Les ondes gravitationnelles émises par le système emporte de l'énergie : les deux étoiles se rapprochent jusqu'à leur fusion. Cette fusion entre deux étoiles à neutrons pourrait être la source des rayonnements les plus énergétiques de l'Univers. Et certains voient dans cette fusion une cause possible des fameux sursauts de rayons gamma que nous venons d'évoquer.
Le terme de trou noir a été inventé par le célèbre physicien de Princeton, John Archibald Wheeler, voici une trentaine d'années, dans un article paru en 1968 dans la revue American Scientist sous le titre que nous traduirons par "Notre Univers : le connu et l'inconnu". Depuis, le sujet n'a cessé d'exciter l'imagination du grand public et se range parmi les quelques sujets astronomiques les plus "cotés" (avec la théorie du Big Bang et la question de la possibilité de vie extraterrestre).
Ce vocable désigne des objets aux propriétés encore plus stupéfiantes que celles des étoiles à neutrons et qui ressemblent à des gouffres cosmiques sans fond dont plus rien ne peut s'en échapper, ni matière ni rayonnement, engloutissant de façon inexorable tout ce qui l'approche de trop près. Comme il retient jusqu'à sa propre lumière, il demeure invisible, ce qui justifie son nom.
Selon la théorie, des trous noirs de toutes tailles et de toutes masses peuvent exister : les plus petits auraient, concentrée dans le volume d'une particule élémentaire, la masse d'une montagne; les plus gros rassembleraient une masse équivalente à celle de plusieurs centaines de millions d'étoiles dans une sphère de rayon comparable à celui du Système solaire. Entre ces deux extrêmes, se trouveraient les trous noirs stellaires, issus de l'effondrement gravitationnel d'étoiles trop massives.
Cependant, les trous noirs les plus spectaculaires sont ceux que l'on envisage comme étant le moteur énergétique des quasars et des galaxies à noyau actif. Ces objets très éloignés émettent à toutes les longueurs d'onde y compris dans le rayonnement gamma, des quantités d'énergie colossales, car ici, le trou noir pourrait atteindre une masse de centaines de millions d'étoiles. INTEGRAL pourrait bien faire quitter les trous noirs du domaine des spéculations pour les faire entrer dans celui de la certitude.
On peut mieux comprendre, dès lors, toute l'importance de la mission de cet observatoire spatial européen qui va scruter les phénomènes alchimiques de l'Univers qui fabriquent les éléments constitutifs des étoiles et des galaxies, qui devrait percer le mystère de la fin de la vie des étoiles, qui devrait aborder d'une manière tout à fait nouvelle les phénomènes physiques stupéfiants qui sont à l'origine de l'apparition de la vie dans l'Univers.
Le ciel gamma, comme le ciel X, est le ciel des hautes énergies et les astres qui émettent ce type de rayonnement sont sujets à des phénomènes d'une extrême violence et dont le moteur est toujours d'origine nucléaire. L'Europe s'est dotée d'un formidable outil d'étude des expressions les plus cataclysmiques de l'Univers.
INTEGRAL devrait nous livrer les monstres de ce bestiaire céleste fascinant.
Pierre Bastin
(Cet article a été publié dans la revue "Le Ciel", bulletin de la Société astronomique de Liège, de décembre 1998)