Gravitation - De l'Univers

On devrait s'en rappeler, le 25 avril 1990, la navette spatiale américaine Discovery plaçait le Hubble Space Telescope (HSP), télescope spatial faisant partie d'un programme commun ESA/NASA, sur une orbite quasi circulaire à environ 614 km d'altitude. (1)

Comme on le sait aussi, les premiers tests de son instrumentation révélèrent une "myopie" du télescope principal due à un défaut de courbure de son miroir primaire entraînant des aberrations sphériques et par voie de conséquence des images floues.

Tout comme les quatre autres instruments scientifiques embarqués sur le HST, la FOC (Faint Object Camera), chambre pour objets faiblement lumineux, contribution de l'Agence Spatiale Européenne, est affectée par ce problème. Elle ne reste pas moins en mesure de procéder à d'importantes observations astronomiques sans égal malgré ce handicap.

La communauté scientifique internationale attend toujours beaucoup de ses performances qui doivent bien sûr s'affirmer dans l'observation d'objets extra-galactiques les plus lointains.

Rappelons que la FOC et ses deux détecteurs ont été testés à IAL SPACE, centre de recherche de l'Université de Liège, ancien groupe spatial de l'Institut d'Astrophysique de Liège dont il est issu. IAL SPACE, devenu depuis le Centre spatial de Liège, jouit en effet du statut privilégié d'être l'une des quatre facilités coordonnées de tests de l'Agence Spatiale européenne. (2)

L'amas 47 Toucan

Des observations à haute résolution du noyau de l'amas globulaire 47 Toucan, réalisées, il y a peu, à l'aide de cette camera, viennent corroborer l'hypothèse selon laquelle des étoiles pourraient entrer en collision et s'emparer les unes des autres, acquérant ainsi un "surcroît de longévité". C'est ce que nous apprend un rapport scientifique de synthèse de l'ESA.

Ces observations indiquent l'existence d'une concentration étonnamment élevée d'étoiles "à la traîne" ("blue stragglers"), classe d'étoiles particulières susceptibles d'évoluer, à un moment de leur "vieillesse", vers une deuxième jeunesse plus chaude et plus brillante. Ces étoiles pourraient également jouer un rôle crucial dans l'évolution dynamique du noyau de l'amas.

Cette découverte est à mettre à l'actif de Georges Meylan et de Francesco Paresce (tous deux astronomes à l'ESA) et Michael Shara, et de l'équipe FOC de l'Institut scientifique du Télescope spatial.

Tirant parti du pouvoir séparateur élevé du HST et de sa sensibilité dans l'ultraviolet pour sonder le cœur dense de l'amas, les astronomes ont détecté 21 "blue stragglers". Selon Francesco Paresce, les "blue stragglers" de 47 Toucan sont concentrées à un degré extraordinaire au centre de l'amas, ce qui tendrait à prouver qu'elles résultent de la collision, de la fusion ou de la rencontre proche d'étoiles. Ce résultat surprenant permet d'expliquer pourquoi les "blue stragglers" n'ont pu, jusqu'ici, être décelées par des instruments ne possédant pas la résolution géométrique suffisante pour résoudre en étoiles le centre dense de 47 Toucan".

Précisons que Toucan est une petite constellation australe proche du pôle céleste sud. Elle renferme le Petit Nuage de Magellan et l'amas globulaire NGC 104 (ou 47 Toucan), situé à 13.000 années de lumière et visible à l'œil nu.

L'âge de l'Univers

Les amas globulaires sont des systèmes autogravitants d'étoiles très denses et riches, c'est-à-dire des groupements en "essaims d'abeilles" de plusieurs centaines de milliers d'étoiles (10⁵ masses solaires) dans un volume, de forme sphérique, de quelques dizaines de parsecs de diamètre. (3) On en connaît actuellement quelque 130.

Eloignés du plan galactique, ces amas globulaires se situent sur le disque des halos galactiques (régions de faibles densités stellaires entourant les galaxies), et parfois dans l'espace intergalactique. (4) Formés peu après le Big Bang (explosion ayant marqué le début de l'expansion de l'Univers), ce sont les objets célestes les plus anciens de l'Univers, précurseurs des galaxies.

Il est à peu près certain que les amas globulaires ont été formés durant l'effondrement gravitationnel de la protogalaxie, vaste nuage de gaz contenant de l'hydrogène et de l'hélium à partir duquel se forme une galaxie, par contraction gravitationnelle.

Quand le nuage protogalactique s'est contracté, des régions où la densité était plus forte se sont rapidemnt condensées, sous l'action des forces de gravitation, en amas globulaires d'étoiles, chaque amas étant constitué de millions d'étoiles.

Une fois les amas formés, ils se sont déplacés en bloc à travers le nuage protogalactique sur des orbites déterminées par le champ gravitationnel général de la galaxie, avec des périodes orbitales de plusieurs centaines de millions d'années.

Selon les travaux de l'astrophysicien américain Harlow Shapley en ce domaine, travaux aujourd'hui communément acceptés, ces amas, sous l'effet de la vitesse, se sont dépouillés de toute la matière qui ne s'était pas condensée à l'occasion de la formation des étoiles. Une conclusion s'impose : aucune nouvelle étoile n'est donc apparue après la création initiale d'étoiles. Cela signifie qu'à une différence de 1 % près, toutes les étoiles d'un même amas ont le même âge.

Ainsi, les amas globulaires comptent donc parmi les premiers occupants de la Voie lactée. C'est dans le vaste halo de notre Galaxie qu'ils se sont formés avant que celle-ci ne s'aplatisse en un disque à structure spirale en forme de galette. La formation des étoiles dans les amas globulaires ayant cessé il y a 15 milliards d'années, les astronomes s'attendaient à n'y trouver que des étoiles vieilles. De fait, ils s'en servent pour estimer l'âge de l'Univers.

Etoiles "à la traîne"

Les observations faites avec les télescopes au sol confirment que les étoiles des amas se sont rapidement transformées en géantes rouges, c'est-à-dire en étoiles "vieilles". En 1953, toutefois, l'astronome Allan Sandage a découvert une nouvelle population d'étoiles surprenante qui semblait contredire les lois de l'évolution stellaire dans les amas globulaires.

On le sait peut-être, Allan Rex Sandage est un astrophysicien américain (né en 1926) dont les travaux ont porté sur les amas globulaires, l'évolution des étoiles et la structure de la galaxie. C'est lui qui, en 1960, découvrit le premier quasar (QUAsi Stellar Astronomical Radiosource), objets extrêmement lumineux les plus lointains dans l'Univers.

A. Sandage a détecté des étoiles bleues, chaude et jeunes, dans l'amas globulaire M3, puis dans d'autres amas de ce type. Il les a qualifiées de "stragglers" (étoiles "à la traîne"), car elles semblaient avoir pris du retard par rapport à d'autres étoiles bleues ayant atteint depuis longtemps le stade d'étoile géante rouge.

L'explication la plus simple que l'on puisse avancer, note le rapport de l'ESA, c'est que les "blue stragglers" se sont formées beaucoup plus tard dans la vie de l'amas. C'est pourtant la moins probable, car les amas globulaires ont été dépouillés, il y a plusieurs milliards d'années, des poussières et gaz résiduels nécessaires à une nouvelle formation d'étoiles. Par conséquent, les étoiles ont dû toutes se former à peu près à la même époque.

On suppose également que les "blue stragglers" mélangent leurs réserves internes d'hydrogène de manière beaucoup plus efficace, ce qui leur permet de "brûler" (dans des réactions de fusion nucléaire) beaucoup plus longtemps que les étoiles bleues normales. Une étoile normale consomme environ 10 % de ses réserves d'hydrogène dans ces réactions de fusion nucléaire. Des étoiles comme le Soleil "crachent" l'hydrogène restant plus tard dans les réactions de fusion. Il faudrait que les "blue stragglers" atteignent une efficacité proche de 100 % pour "prolonger" sensiblement leur jeunesse et brûler de tout leur éclat pendant des milliards d'années.

Un scénario plausible

En 1964, l'astrophysicien et mathématicien britannique (né en 1915) Fred Hoyle (un des pionniers de l'astrophysique nucléaire) et l'astrophysicien W.H. McCrea (né en 1904 et qui expliqua la rotation du Soleil) ont émis, indépendamment l'un de l'autre, l'hypothèse selon laquelle les étoiles bleues se formeraient lorsque deux étoiles s'emparent l'une de l'autre et donnent naissance à un système binaire rigide. Ceci aurait pour effet de brasser l'hydrogène dans chacune des étoiles et de réalimenter en combustible frais leurs foyers nucléaires respectifs.

Ce scénario est plausible, car les rencontres proches d'étoiles doivent être relativement fréquentes dans le cœur très peuplé des amas globulaires. D'après les estimations des astronomes, une étoile sur cent dans un amas globulaire a rencontré de près une autre étoile. Si notre propre environnement stellaire local était aussi peuplé, on pourrait voir à l'œil nu plus d'un million d'étoiles séparées (alors qu'en réalité on ne peut en distinguer qu'environ 3.500 par une nuit sans Lune). La distance entre le Soleil et l'étoile la plus proche n'est que vingt fois la distance entre le Soleil et la planète la plus éloignée, Pluton.

Les étoiles ne se contentent pas de "défiler la nuit". Elles sont également susceptibles de s'emparer les unes des autres. En effet, la plupart des étoiles des amas globulaires se déplacent à une vitesse relativement faible, de l'ordre de 16.000 km/h. Il est possible que deux étoiles se rencontrant lentement au voisinage d'une troisième "sentent" l'attraction gravitationnelle de cette dernière pendant un temps suffisant pour se fondre en une seule.

Dans ce cas, poursuit le rapport de l'ESA, l'étoile la moins massive soutirerait de l'hydrogène frais à son compagnon évoluant plus vite. Grâce à ce nouvel apport de combustible, l'étoile se réchauffe et bleuit. Dans le cas de rencontres frontales, il se pourrait que les étoiles fusionnent effectivement en mélangeant leur combustible et en réalimentant les foyers de fusion nucléaire.

Au fond du puits

Les étoiles fusionnées et les systèmes binaires auraient une masse environ deux fois supérieure à celle des étoiles individuelles de l'amas. Elles auraient tendance à s'installer au centre de l'amas, autrement dit au "fond" de son "puits gravitationnel". Les observations faites à partir de la Terre semblent indiquer que les "blue stragglers" seraient des étoiles massives résultant de fusions. Il a été montré récemment qu'il existait, au centre de certains amas globulaires, une plus forte concentration de "blue stragglers" que de sous-géantes de même magnitude.

Cependant, les amas de haute densité sont plus difficiles à résoudre en étoiles à partir du sol, et il n'a pas encore été procédé à leur exploration systématique jusqu'à des limites de brillance suffisamment basses pour détecter les "blue stragglers". Le pouvoir séparateur élevé et la sensibilité dans l'ultraviolet du Hubble Space Telescope en font un outil puissant de sondage du centre des amas globulaires.

Les chercheurs en quête de "blue stragglers" ont scruté le centre de l'amas 47 Toucan. Le HST a permis de dénombrer environ 600 étoiles dans un champ restreint (de 1,5 année de lumière de diamètre) au cœur de l'amas, alors que les images prises au sol n'en font apparaître que quelques douzaines. En comparant les clichés du HST à deux images de 47 Toucan prises dans le visible avec un temps d'exposition limité (clichés de Georges Maylan du 12 décembre 1988 avec le télescope de 2,2 m de l'ESO à La Silla, au Chili), les chercheurs ont découvert 21 étoiles exceptionnellement brillantes dans l'ultraviolet.

Un rôle crucial

Les chercheurs ont ensuite comparé la brillance et la température de ces étoiles à un modèle numérique mis au point par l'équipe de la FOC. Ce modèle permet de prévoir les caractéristiques des étoiles de la séquence principale, comme les "blue stragglers", dans l'ultraviolet. (La séquence principale, issue du diagramme Hertzsprung-Russel (5), contient plus de 90 % des étoiles observées, qui se trouvent dans la phase stable de leur vie.) Le très bon accord entre le modèle et les observations de la FOC permet aux chercheurs de conclure que les étoiles très brillantes dans l'ultraviolet observées à l'aide du HST sont des "blue stragglers".

Cette forte concentration de "blue stragglers" au cœur de 47 Toucan laisse à penser que ces étoiles sont beaucoup plus massives que la plupart des autres étoiles de l'amas. Certaines d'entre elles pourraient être en réalité des systèmes d'étoiles doubles, ce qui expliquerait leur caractère massif. Ces systèmes binaires joueraient un rôle crucial dans l'évolution de l'amas et expliqueraient pourquoi les amas globulaires ne sont pas plus peuplés d'étoiles en leur centre.

Il est possible, en fait, que les centres s'effondrent, puis rebondissent du fait de la présence de "blue stragglers". Bien que celles-ci ne représentent qu'une infime partie de la population de l'amas, elles serviraient de "batteries" d'énergie cinétique. Tels des batteurs à œufs, quelques "blue stragglers" seraient capables à elles seules d'activer les mouvements de milliers d'autres étoiles de l'amas.

Le rapport de l'ESA remarque que les astronomes ne sont pas en mesure de déterminer de manière concluante, à partir des seules images de la FOC, dans quelle catégorie, parmi les trois qui peuvent être envisagées, il y a lieu de classer des "blue stragglers" de 47 Toucan. Le modèle de l'étoile binaire est toutefois corroboré par d'autres observations d'étoiles à grande vitesse détectées au centre de 47 Toucan, qui ne pourraient provenir que du rapprochement gravitationnel d'étoiles isolées et d'étoiles binaires, ou de deux systèmes binaires. Les astronomes ont découvert en outre dans 47 Toucan une population significative de pulsars binaires de fréquence proche de la milliseconde, ce qui renforce l'hypothèse de la présence d'étoiles binaires au sein de cet amas.

Il est assez aisé de comprendre l'importance de cette découverte. L'étude des amas globulaires qui offrent aussi l'un des spectacles les plus évocateurs et les plus fascinants permet, en effet, de mieux comprendre l'évolution de l'Univers.

Pierre Bastin