Pour la première fois, des astrophysiciens ont cartographié les limites de l’héliosphère

Bien qu’elle soit étudiée depuis des décennies, la structure du système solaire, et notamment son interaction avec le milieu interstellaire, montre encore quelques zones de flou que les astrophysiciens s’efforcent de mieux comprendre. Récemment, et pour la première fois, une équipe de chercheurs a cartographié avec précision les limites de l’héliosphère. Cette carte permettra aux astrophysiciens d’étudier plus en détail les interactions entre le vent solaire et le vent interstellaire.

Pour la première fois, la limite de l’héliosphère a été cartographiée, permettant aux astrophysiciens de mieux comprendre comment les vents solaires et interstellaires interagissent. « Les modèles physiques ont théorisé cette frontière pendant des années. Mais c’est la première fois que nous sommes en mesure de la mesurer et d’en faire une carte en trois dimensions », explique Dan Reisenfeld, chercheur au Laboratoire national de Los Alamos.

L’héliosphère est une bulle créée par le vent solaire, un flux composé principalement de protons, d’électrons et de particules alpha qui s’étend du Soleil dans l’espace interstellaire et protège la Terre des rayonnements interstellaires nocifs. Reisenfeld et une équipe d’autres scientifiques ont utilisé les données du satellite de la NASA Interstellar Boundary Explorer (IBEX) en orbite autour de la Terre, qui détecte les particules provenant de l’héliogaine, la couche limite entre le Système solaire et l’espace interstellaire.

Limites héliosphère
Des astrophysiciens ont cartographié les limites de l’héliosphère (Source : NGSC).
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Les filaments cosmiques d’amas de galaxies seraient en rotation !

Depuis plus de 10 milliards d’années, les galaxies et les amas de galaxies se rassemblent pour former des sortes de filaments cosmiques interconnectés longs de centaines de millions d’années-lumière. Des observations soutiennent maintenant la thèse que ces filaments sont animés de mouvements de rotation qui les rendent torsadés. On ne sait pas encore très bien pourquoi mais certaines pistes sont prometteuses.

Les étoiles tournent, les galaxies spirales tournent, or il existe une loi de la physique qui s’appelle la conservation du moment cinétique. Des astres ne peuvent donc pas se mettre à tourner spontanément et il faut donc expliquer d’où provient leur rotation. Comme on peut associer des moments cinétiques à divers objets dont la somme doit se conserver, il est donc possible de faire intervenir des transferts entre ces différents moments cinétiques. Ainsi, le ralentissement de la rotation de la Terre du fait des forces de marée mutuelles avec la Lune conduit le moment cinétique orbital de notre satellite naturel à augmenter alors que le moment cinétique propre de notre Planète bleue diminue et que la Lune s’en éloigne donc.

Dans un nuage interstellaire moléculaire en cours d’effondrement, la matière devient turbulente et se fragmente en nuages plus petits en rotation dans différents sens alors que le nuage initial pouvait très bien ne pas être en rotation avec donc un moment cinétique total nul. Les cosmogonistes modernes cherchant à expliquer la naissance des galaxies et des grandes structures qui rassemblent ces galaxies en amas font également intervenir un effondrement gravitationnel.

Les grandes campagnes d’observations comme celle du Sloan Digital Sky survey (SDSS) nous ont permis de cartographier jusqu’à un certain point l’Univers observable en montrant que les amas de galaxies se rassemblaient au cours du temps dans des filaments enlaçant des sortes de bulles, des « vides cosmiques » beaucoup moins riches en galaxies et en gaz que ces filaments. L’échelle caractéristique de ces structures est de l’ordre de quelques centaines de millions d’années-lumière.

Premières structures début Univers
Formation des premières structures aux débuts de l’Univers. Cette simulation numérique montre la formation des grandes structures par l’effet de la gravité dans un cube d’univers de 150 millions d’années-lumière de côté. L’intensité lumineuse mesure la densité et la couleur, la température croissante du gaz (du bleu au rouge). Chaque point brillant est une galaxie en formation. Au croisement des filaments de matière, se développent les grands amas de galaxies (Source : CEA).
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Une étoile clignote étrangement près au centre de la Voie lactée

Quelque part dans le centre de la Voie lactée, les astronomes ont découvert une drôle d’étoile. En avril 2012, elle a presque entièrement disparu du ciel. Puis elle est réapparue quelques mois plus tard. C’est la seule fois que VVV-WIT-08 a ainsi clignoté en 17 ans d’observation. Les chercheurs s’interrogent quant à la nature de l’objet qui l’a momentanément cachée à notre vue.

Des étoiles dont la luminosité est changeante, ce n’est pas exceptionnel. Mais celle que les astronomes appellent VVV-WIT-08 a quelque chose de particulier. Des chercheurs, entre autres de l’université de Cambridge (Royaume-Uni), l’ont débusqué dans les données recueillies par le télescope Vista (Chili), exploité par l’Observatoire européen austral (ESO). Depuis des années, il observe un milliard d’étoiles, justement pour en pointer à la luminosité variable.

« Parfois, nous trouvons des étoiles variables qui n’entrent dans aucune catégorie établie. Nous les surnommons les objets « WIT » », raconte Philip Lucas, chercheur à l’université d’Hertfordshire (Royaume-Uni), dans un communiqué de l’université de Cambridge. Les astronomes ont, en l’occurrence, vu la luminosité de VVV-WIT-08 diminuer d’un facteur 30, jusqu’à presque la faire disparaître dans le ciel — elle a perdu 97 % de sa luminosité –, avant qu’elle s’illumine à nouveau plusieurs semaines plus tard.

Etoile clignotante centre voie lactée
Des astronomes, notamment de l’université de Cambridge (Royaume-Uni), présentent une drôle d’étoile qui a clignoté une fois en 17 ans d’observation. Ils imaginent qu’un objet nous l’a momentanément cachée (Source : Université de Cambridge).
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L’atmosphère de cette exoplanète tempérée intéresse beaucoup les astronomes

Cette exoplanète a été découverte à 90 années-lumière de la Terre. Un monde apparemment tempéré et gazeux, avec une atmosphère riche que les astronomes espèrent bien étudier plus en détail dans les mois qui viennent.

Elle s’appelle TOI-1231 b. Elle a été découverte par le Transiting Exoplanet Survey Satellite (Tess) et suivie ensuite par le Planet Finder Spectrograph (TFS, Chili). C’est une exoplanète un peu plus petite que notre Neptune. Elle est située huit fois plus près de son étoile que ne l’est la Terre du Soleil, mais il y règne une température semblable à celle de notre Planète. Normal, l’exoplanète est en orbite autour d’une naine rouge — plus petite et moins lumineuse que notre étoile — située à environ 90 années-lumière de la Terre. Jusque-là, toutefois, rien d’extraordinaire, car 70 % des étoiles de la Voie lactée sont réputées être des naines rouges. Et que la baisse de luminosité de l’une de ces étoiles, relativement petites, lorsqu’une planète plutôt grande passe devant, est assez facile à repérer.

Là où TOI-1231 b devient intéressante, c’est lorsque l’on considère sa période orbitale de 24 jours. C’est peu. Mais beaucoup pour une exoplanète détectée par Tess. La majorité des planètes découvertes par la mission affichent en effet une période orbitale inférieure à 14 jours. Une question d’intervalle d’observation.

Surtout, TOI-1231 b serait similaire à Neptune. En taille et en densité. En d’autres mots, cette exoplanète serait entourée d’une atmosphère gazeuse particulièrement conséquente. Et si cette atmosphère intéresse tant les chercheurs, c’est parce qu’elle est l’une de celles où il règne les températures les plus fraîches jamais découvertes pour une planète géante. Des travaux antérieurs avaient suggéré que les exoplanètes semblables à TOI-1231 b pourraient avoir des nuages dans leur haute atmosphère. Rendant difficile de déterminer quels gaz ce type de planète peut piéger.

Une vue d’artiste sur TOI-1231 b, une exoplanète de la taille de Neptune (Source : NASA/JPL).
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L’influence des trous noirs galactiques s’étend au-delà de leur galaxie hôte

Les modèles galactiques actuels admettent l’existence de trous noirs supermassifs situés au centre de chaque galaxie de masse suffisante. Depuis plusieurs années, les astrophysiciens étudient et modélisent les effets de ces trous noirs sur leur galaxie hôte ; une composante essentielle à l’évolution des grandes galaxies dans l’Univers. Récemment, une équipe de chercheurs a poussé cette étude hors du centre galactique afin de montrer que l’influence du trou noir s’étend au-delà de la galaxie hôte.

Au cœur de presque toutes les galaxies suffisamment massives se trouve un trou noir dont le champ gravitationnel, bien que très intense, n’affecte qu’une petite région autour du centre de la galaxie. Même si ces objets sont des milliers de millions de fois plus petits que leurs galaxies hôtes, notre vision actuelle est que l’Univers ne peut être compris que si l’évolution des galaxies est régulée par l’activité de ces trous noirs, car sans eux les propriétés observées des galaxies ne peuvent pas être expliquées.

Les prédictions théoriques suggèrent qu’à mesure que ces trous noirs se développent, ils génèrent suffisamment d’énergie pour se réchauffer et chasser le gaz à l’intérieur des galaxies sur de grandes distances. Observer et décrire le mécanisme par lequel cette énergie interagit avec les galaxies et modifie leur évolution est donc une question fondamentale de l’astrophysique actuelle.

Dans cette optique, une étude menée par Ignacio Martín Navarro, chercheur à l’Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), est allée plus loin et a tenté de voir si la matière et l’énergie émises autour de ces trous noirs peuvent altérer l’évolution, non seulement de la galaxie hôte, mais aussi des galaxies satellites qui l’entourent, à des distances encore plus grandes.

Influence trous noirs galactiques
L’influence des trous noirs galactiques s’étend au-delà de leur galaxie hôte (Source : NASA).
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L’analyse d’une explosion cosmique exceptionnelle remet en cause plusieurs théories

L’analyse d’une explosion cosmique exceptionnelle bouscule les théories décrivant le phénomène, selon une étude parue dans Science.

L’analyse d’une explosion cosmique exceptionnelle, émettant des rayons d’une énergie colossale à la suite de l’effondrement d’une étoile, bouscule les théories décrivant le phénomène, selon une étude parue dans Science.

« Normalement ces évènements sont détectés beaucoup plus loin, mais là on a eu de la chance », résume l’astrophysicien Fabian Schüssler, du CEA-Irfu, qui a participé à l’étude de GRB 190829A, publiée le 4 juin. Un nom un peu barbare pour décrire un évènement de « sursaut gamma » détecté en 2019, à une distance de « seulement » un milliard d’années-lumière, d’ordinaire bien plus lointaine.

Ce sursaut, un flash lumineux de rayons X et gamma, les plus chargés en énergie qui soient, est un des phénomènes les plus violents de l’Univers. S’il dure plus de quelques secondes, on l’associe à l’effondrement, sous sa propre masse, d’une étoile massive, avant qu’elle ne devienne un trou noir. Avant de mourir, l’étoile projette par chacun de ses pôles un jet de particules, qui se chargent en énergie et accélèrent jusqu’à la vitesse de la lumière, en rayons X et gamma.

Fusion étoiles à neutrons
Illustration artistique une fusion d’étoiles à neutrons donnant lieu à l’émission de jets de particules, accélérées en rayons X et gamma (Source : National Science Foundation/AFP).
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Des physiciens recréent la matière primitive de l’Univers

À quoi ressemblaient les premiers instants de l’Univers ? C’est un mystère que les scientifiques tentent de percer depuis des décennies. La collaboration ALICE du CERN est spécialiste du sujet : ce détecteur (A Large Ion Collider Experiment) a été conçu pour étudier le plasma quarks-gluons, une phase de matière qui aurait existé juste après le Big Bang. Et l’équipe est récemment parvenue à recréer et à caractériser cette toute première matière hypothétique, grâce au Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Quelles sont les propriétés de la matière aux densités et températures extrêmes des prémices de l’Univers ? Les scientifiques de la collaboration ALICE disposent enfin de quelques éléments de réponse. La matière obtenue n’a persisté qu’une fraction de seconde, mais suffisamment longtemps pour que les scientifiques puissent en étudier les caractéristiques pour la toute première fois.

Il s’avère que ce plasma est de type liquide et cette découverte pourrait permettre de mieux comprendre comment l’Univers primitif a évolué lors de la première microseconde qui a suivi le Big Bang. Pour reproduire cette matière primitive, l’équipe a initié des collisions d’ions lourds (de plomb) à haute énergie (5 TeV) au sein du LHC.

Pour rappel, les quarks sont des particules élémentaires qui s’associent pour former des protons et des neutrons (entre autres). Les quarks sont liés entre eux via une interaction forte, médiée par des particules appelées gluons. Les collisions qui se produisent dans le LHC génèrent des températures plus de 100 000 fois supérieures à celles du centre du Soleil. Dans ces conditions extrêmes, les protons et les neutrons se décomposent, libérant au passage les quarks et les gluons qui les constituent : on obtient ainsi le fameux plasma quarks-gluons.

Alice CERN
Une vue d’Alice (A Large Ion Collider Experiment) au Cern. Ce détecteur géant permet d’explorer la physique du plasma de quarks-gluons au LHC. (Source : CERN)
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Une boule de matière noire constituée de darkinos pourrait se trouver au centre de la Voie lactée

Les modèles galactiques actuels avancent majoritairement l’hypothèse qu’au centre de chaque grande galaxie se trouve un trou noir supermassif. Et la Voie lactée ne ferait pas exception, avec un trou noir de plus de 4 millions de masses solaires. Toutefois, il se pourrait qu’il ne s’agisse en réalité pas d’un trou noir. Récemment, des physiciens ont proposé une autre hypothèse : il s’agirait d’une boule de matière noire aux contours flous constituée de darkinos.

Les astronomes pensent qu’au cœur de la Voie lactée, une zone connue sous le nom de Sagittarius A*, se trouve un trou noir supermassif. Bien sûr, ils ne peuvent pas voir le trou noir directement, car il n’émet aucune lumière par lui-même. Au lieu de cela, ils déduisent son existence en observant les mouvements d’un amas d’étoiles S. Les étoiles S orbitent autour d’un objet central caché et invisible, et en traçant leurs orbites au fil des ans, les astronomes peuvent déduire la masse et la taille de cet objet central.

Le candidat le plus probable pour cet objet central caché est un trou noir, avec une masse estimée à plus de 4 millions de fois celle du Soleil. Mais les étoiles S ne sont pas les seuls objets à évoluer dans le centre galactique. Des amas de gaz s’y cachent également, et un en particulier, baptisé G2, a attiré l’attention. Peu de temps après que les astronomes ont découvert le nuage il y a des décennies, ils ont réalisé que l’orbite de G2 le rapprocherait dangereusement du trou noir — suffisamment près pour que la gravité intense du trou noir déchire ce nuage de gaz.

Mais après le passage le plus proche de G2 du trou noir en 2014 — lorsqu’il est passé à seulement 260 UA du géant — le nuage est resté totalement intact. L’explication la plus plausible de la survie de G2 est qu’il est plus qu’un simple nuage de gaz. Une étoile ou deux pouvaient être cachées à l’intérieur du nuage, la gravité de cette étoile maintenant toute la structure intacte lors de son passage près du trou noir.

Boule matière noire centre Voie lactée
Une boule de matière noire constituée de darkinos pourrait se trouver au centre de la Voie lactée.
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Un débris spatial a percuté et endommagé la Station spatiale internationale

Nous le savons, l’orbite terrestre est polluée de débris spatiaux, certains étant bien plus dangereux que d’autres. Cela nécessite donc une surveillance continue de la trajectoire des débris se trouvant sur les mêmes orbites que les satellites ou la Station spatiale internationale. Cependant, certains sont trop petits pour être détectés lorsqu’ils se détachent de l’amas de débris duquel ils sont issus… C’est exactement ce qui vient de se produire et par manque de chance, l’un de ces débris a percuté le bras robotique Canadarm 2 de la Station spatiale internationale.

Chance ou malchance ? Tout dépend sous quel angle on décide de le voir : en effet, le débris aurait pu percuter une section plus vitale de la station, comme une vitre ou du matériel électronique essentiel au fonctionnement des systèmes de survie. De plus, l’instrument est toujours opérationnel selon le premier diagnostic.

L’objet a cependant perforé la couverture thermique et endommagé le bras. Ainsi, cet incident nous rappelle que le problème des débris spatiaux en orbite terrestre basse est une véritable bombe à retardement, qui devient de plus en plus puissante au fil du temps.

Plus de 23 000 objets en orbite basse sont suivis par des équipes spécialisées pour aider les satellites et l’ISS à éviter les collisions, mais ils font tous la taille d’une balle de baseball ou plus. Tout ce qui est en dessous de cette taille est trop petit pour être suivi. En se déplaçant à des vitesses orbitales (plus de 20 000 km/h), ces petits débris peuvent tout de même causer des dommages importants, notamment en perçant des plaques de métal. Les agences spatiales du monde entier sont évidemment conscientes du problème des débris spatiaux, et certaines, dont ClearSpace, travaillant d’arrache-pied pour proposer des solutions de nettoyage orbital.

Débris spatial ISS
Un débris spatial a percuté et endommagé la Station spatiale internationale (Source : NASA/Canadian Space Agency).
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La NASA publie une image sans précédent des phénomènes extrêmes au centre de la Voie lactée

La pandémie de Covid-19 n’a pas eu que de mauvais effets. La preuve aujourd’hui puisqu’elle a offert le temps à des astronomes de travailler à composer une image splendide du cœur de la Voie lactée. Une région qui est le siège de phénomènes d’une extrême violence.

Le cœur de la Voie lactée est une région particulière. D’une beauté époustouflante. Où il se joue des phénomènes extrêmes. Qui influent sur son évolution. Et après pas moins de 20 années d’observation à l’aide de plusieurs instruments, les astronomes nous en proposent aujourd’hui une superbe image composite — s’étendant même au-dessus et en dessous du plan de la galaxie où se trouvent la plupart des étoiles –, superposant pas moins de 370 clichés.

Rappelons qu’étudier le centre de notre Galaxie n’est pas si simple. Même s’il n’est situé qu’à 26.000 années-lumière de notre Système solaire. Notre point de vue est en effet obstrué par une sorte de brouillard très dense de poussières et de gaz. Qui peut toutefois être percé par des instruments comme l’observatoire aux rayons X Chandra. Dévoilant des restes de supernovæ, des trous noirs et des étoiles à neutrons ainsi que toutes sortes de fils de gaz surchauffés et de champs magnétiques intenses.

Centre Voie lactée
Au cœur de la nuit, dans les régions les plus sombres, la Voie lactée se dévoile dans notre ciel, tel un enchantement. Mais son centre reste difficilement observable pour les astronomes. La faute à des nuages de poussières et de gaz qui leur cachent la vue. Aujourd’hui, ils publient tout de même une magnifique image de cette région, fruit d’une année de travail et de 20 années d’observations à l’aide de plusieurs instruments. (Source : NASA/CXC/UMass/Q.D. Wang/NRF/SARAO/MeerKAT)
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