Gravitation - De l'Univers

L'Institut d'Astrophysique de l'Université de Liège organise son prochain collogue international du 3 au 5 juillet à l'Observatoire de Cointe. Notons que cet Institut qui, de la sorte et depuis longtemps, porte le renom de notre Alma Mater aux quatre coins de la planète Terre, organise des colloques internationaux deux années consécutives sur trois, la troisième année étant réservée à la réunion de l'Assemblée générale de l'Union Astronomique Internationale.

Le présent colloque est le 29ème de la série depuis sa création, en 1949, par le regretté Professeur Pol Swings, astrophysicien mondialement connu, entre autres, pour avoir découvert, en 1937, la première molécule interstellaire, le radical CH.

Aux fil des années, ces colloques sont devenus des manifestations très bien cotées parmi les grandes réunions scientifiques internationales.

Généralement, les colloques liégeois abordent des thèmes hautement théoriques. On peut citer les derniers: en 1983, Etudes des Quasars et des Lentilles gravitationnelles; en 1984, en hommages au Professeur Paul Ledoux, Problèmes théoriques en Stabilité et Oscillations stellaires; en 1986, Etudes des premières Phases de l'Univers; en 1987, Observations astrophysiques à haute Précision.

En 1989, avec le thème "Notre atmosphère en mutation ( Our Changing Atmosphere), les scientifiques liégeois avaient sensibilisé plus directement le grand public en rencontrant les préoccupation de survie de l'homme sur la planète: trou d'ozone, effet de serre, etc... (La Wallonie du 26 juin 1989).

Deux Prix Nobel

Cette année encore, ce colloque international, co-parrainé par l'Agence Spatiale Européenne (ESA), va réunir une centaine d'experts mondiaux, mais autour de problèmes beaucoup plus théoriques. Il sera présidé par le Professeur Ch. Townes (Berkeley, USA), lauréat du prix Nobel. Il consistera en une série importante d'exposés présentés par des personnalités invitées (dont un par un second lauréat du Nobel, Robert Wilson) en présence de représentants des grandes agences spatiales d'Europe, des USA, d'URSS et du Japon.

Le Comité scientifique est composé de CH. Townes (Berkeley, USA), Président; P. Encrenaz (Paris, France); R.Genzel (Garching, FRG); M. Harwit (Washington, USA); R. Hills (Cambridge, UK); H. Okuda (Kanagawa, Japon,); T. Philiips (Passadena, USA); J-L Puget (Paris, France); J. Storey (Kensington, Australia);
J-P Swings (Liège); S. Volonté (Paris, France).

Le Comité scientifique local comprend J-P Swings (Liège); R. Zander (Liège); D. Fraipont (Liège);
S. Volonté (ESA, Paris).

En quoi consiste le thème de ce colloque "L'astronomie sub-millimétrique: du sol à l'espace" ? Les organisateurs font remarquer avec raison que le domaine couvrant l'infrarouge lointain et la région sub-millimétrique constitue la dernière fenêtre non explorée du spectre électromagnétique. En effet, l'absorption par l'atmosphère terrestre, la difficulté de produire des détecteurs sensibles, et l'émission thermique importante des récepteurs et des éléments optiques ont, jusqu'à présent, maintenu cette fenêtre quasi opaque.

Les quelques observations effectuées au sol ou à partir d'avions et/ou de ballons, ainsi que les calculs théoriques, montrent cependant que ce domaine spectral est extrêmement riche: il englobe en effet de nombreux phénomènes physiques et chimiques qui permettront aux astrophysiciens d'explorer l'Univers à basse température.

Décrire, comprendre

Comme nous le rappelle l'astrophysicien français Pierre Léna ("Méthodes physiques de l'observation" (1), le but de l'astrophysique 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...

C'est à partir de l'information reçue par l'observateur que s'établissent les classements, les modèles physiques, les prédictions qui en font la valeur. Le but de l'observation est d'élaborer une stratégie de collecte de cette information. Le rayonnement électromagnétique occupe une situation très largement dominante puisqu'il transporte la quasi-totalité de l'information sur laquelle est aujourd'hui bâtie l'astrophysique. En d'autres termes, notre connaissance de l'Univers provient presque exclusivement de l'étude du rayonnement électromagnétique.

Les ondes électromagnétiques

Rappelons-nous. La lumière est constituée d'ondes qui se déplacent dans l'espace à la vitesse de 300.000 kms par seconde et qui présentent certaines analogies avec les vagues. La distance entre deux crête est la longueur d'onde, et elle est mesurée en milliardièmes de mètre ou nanomètres (nm). Le nombre de crêtes passant par seconde devant un observateur est la fréquence.

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 électromagnétiques qui se propagent 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 et 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 (rayons X, rayons gamma) sont beaucoup plus énergétiques. On connait assez les effets destructeurs des rayons gamma issus des transformations nucléaires, et qui sont les radiations de plus haute fréquence connue.

Une loi importante de la physique, dite loi de Wien, exprime que la longueur d'onde d'un rayonnement est inversément proportionnelle à la température du corps qui l'émet. Ainsi les rayonnements gamma, X et ultraviolet 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, et l'oeil 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.

L'accès à l'espace

Cependant, la lumière visible ne représente qu'une étroite bande du spectre électromagnétique. La lumière de longueurs d'onde plus courtes que le visible est dite ultraviolette (ultraviolet proche et lointain). Les ondes encore plus courtes constituent les rayons X et les rayons gamma.

Les ondes plus longues que le visible sont l'infrarouge (infrarouge proche et lointain), les ondes sub-millimétriques (entre 50 microns et 1 mm : 0,000 050 à 0,001 étant entendu que 1.000 microns = 1 mm), puis les micro-ondes et enfin, les ondes radio ou ondes hertziennes, les plus longues de toutes.

L'astronomie au sol est limitée au visible, au proche infrarouge avec de nombreuses absorptions, ainsi qu'aux longueurs d'ondes millimétriques et centimétriques. Les ondes de grande énergie ne sont observables que par les engins spatiaux.

L'observation infrarouge et sub-millimétrique est possible dès l'altitude de 12 km, donc à partir d'un avion ou d'un ballon. On s'oriente vers l'utilisation d'observatoires en orbite de manière à maîtriser les conditions d'observation permettant de s'affranchir, comme pour le visible ou les autres longueurs d'ondes, de l'absorption atmosphérique (vapeurs d'eau surtout pour l'infrarouge lointain, entre 25 et 700 microns), variation de l'ozone (ultraviolet), le gaz carbonique, l'ionisation de la haute athmosphère, la température, les turbulences...

L'accès à l'espace permet d'ouvrir à l'observation la totalité du spectre électromagnétique. Et c'est bien ce qui caractérise l'astrophysique aujourd'hui: la possibilité d'explorer l'Univers dans l'ensemble des longueurs d'ondes du spectre électromagnétique, depuis les ondes radio jusqu'aux photons gamma.

Infrarouge, sub-millimétrique

L'astronomie infrarouge a un champ d'application particulièrement fertile: 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 celle 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 à grande échelle de l'Univers.

L'examen de l'infrarouge lointain (sources infrarouges froides) et du domaine sub-millimétrique 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 protoétoiles; de mesurer l'âge des sources émettant dans l'infrarouge lointain (quelques dizaines de millions d'années).

Le domaine sub-millimétrique, encore largement inexploré, est vraisemblablement très riche en raies spectrales, notamment d'origine moléculaire dans le milieu interstellaire. Il est à retenir que les développements les plus marquants sont dûs à des progrès d'ordre technologique comme la réalisation de détecteurs à hélium liquide de plus en plus sensibles et performants.

Embryologie stellaire

Il n'est pas inintéressant d'ouvrir une petite parenthèse sur la naissance des étoiles. Quelles sont les premières étapes de la formation d'une étoile ? Pourquoi un nuage interstellaire primitif se transforme-t-il en étoile ? Il est impossible de répondre à ces questions à partir des seules observations directes, car des nuages de gaz, de poussières voilent les étoiles entre le moment initial du processus et l'étape finale de leur naissance.

Des modèles mathématiques arrivent à séquencer les différentes étapes de l'évolution d'une étoile et permettent une compréhension quelque peu affinée de la formation de notre propre système solaire.

Les étoiles se forment par effondrement des nébuleuses, nuages interstellaires de gaz et de poussières. On peut observer les nébuleuses où des étoiles sont sur le point de se former, grâce au rayonnement millimétrique. L'étape finale de la naissance d'une étoile qui vient de se former au sein de la nébuleuse "mère" peut être observée dans le domaine de l'infrarouge.

Entre ces deux possibilités d'observations, c'est le degré zéro de la connaissance. C'est un peu comme si, en biologie, on avait connaissance, d'une part, du spermatozoïde et de l'ovule et, d'autre part, du beau poupon qui vient de naître, sans rien connaître de la division méiotique, du processus de fécondation, des divers stades du développement embryologique, de la nidation à la parturition en passant par la phase fœtale, c'est-à-dire la grossesse.

Les astrophysiciens ne désespèrent pas de pouvoir arriver à "regarder" et comprendre l'évolution embryologique et fœtale stellaire grâce à l'imagerie infrarouge et sub-millimétrique et donc de mieux comprendre aussi la genèse de notre Système solaire.

Les buts principaux du 29ème Colloque d'Astrophysique de Liège peuvent se résumer en trois points principaux. Ils consistent en:
- une revue des résultats scientifiques récemment acquis (sol, avions, ballons,...) dans le domaine de 100 micromètres à 1 millimètre;
- une présentation des observations au sol (même en Antarctique) et des diverses missions spatiales en préparation, ainsi que de leur technologie et de leurs objectifs scientifiques;
- des échanges de vues au sein de la communauté scientifique afin de promouvoir des stratégies possibles pour les développements futurs dans le domaine spectral sub-millimétrique.

Les travaux de cette réunion scientifique liégeoise seront fructueux, nous n'en doutons pas. Serait-ce déjà à la lumière de cette phrase sur l'astrophysique, science au confluant de toutes les sciences, phrase pleine de vérité et de profondeur, d'un autre prix Nobel de physique (1977): Steven Weinberg, Professeur à l'Université de Harvard, l'un des meilleurs théoriciens de la physique contemporaine. (2).

"S'efforcer, dit-il, de comprendre l'Univers est l'une des rares choses qui élève la vie humaine au-dessus du niveau de la farce et lui accorde un peu de grâce, de tragédie."

On l'aura compris, nous sommes tous concernés.

Pierre Bastin