Mise à jour le 28
Mars 2006
CONFÉRENCE de
Jean Marc BONNET-BIDAUD
Astrophysicien
du CEA-DAPNIA
" A LA RECHERCHE DE LA LUMIÈRE INVISIBLE
"
cycle Cyclope
CEA Saclay,
Le mardi 21 Mars 2006 à 21H00 à l'INSTN
Photos : pas de
photos malheureusement
Textes de Laurence Guidicelli , merci à
elle en mon absence.
Voici le texte
de présentation de cette conférence :
Nos yeux ne
sont adaptés qu’à la lumière solaire qui filtre à travers l’atmosphère
terrestre. Cette lumière que nous appelons « visible » n’est qu’une infime
partie de toutes les lumières possibles.
Pour accéder
aux lumières invisibles à nos yeux, rayons X, rayons gamma, lumière infrarouge,
les astrophysiciens ont dû non seulement inventer des instruments totalement
nouveaux mais aussi les propulser au-dessus de l’atmosphère à l’aide de
ballons, des fusées, des
satellites.
Le premier
rayon X d’origine cosmique était enregistré par les équipes du CEA, le 21 mai
1965. Depuis, quarante ans d’aventures spatiales et de découvertes ont révélé
une multitude de phénomènes inattendus : trous noirs, explosions d’étoiles,
collisions de galaxies
Des premiers
balbutiements jusqu’aux énormes observatoires spatiaux exploités aujourd’hui
par les astrophysiciens du CEA, le déchiffrage de la face cachée du cosmos a
ainsi totalement bouleversé notre vision de l’Univers
BREF COMPTE RENDU
LE PASSÉ
L’humain s’est
intéressé à l’astronomie depuis très longtemps. Et cela était un besoin
(déterminant en agriculture par exemple).
En avril 2005, on
a découvert en Chine un observatoire astronomique datant de – 2100. (photo du
site, les traces au sol des constructions)
Les premières
cartes d’étoiles :
La plus ancienne
retrouvée : en Chine, dans une oasis du désert de Gobi (conservée dans les
murs d’un monastère), date de 740.
Les premiers
observatoires monumentaux construits : an 1278, 10 m de haut
(Chine) ; 1274, 18 m de haut (Iran).
L’Europe arrive
beaucoup plus tard :
Tycho Brahé, en
1575, au Danemark, est le premier à imaginer construire de grands instruments.
Puis, un grand bon
avec Galilée, et la lunette (inventée par des marins Hollandais, sans doute).
Avec les
observations qu’il fait en 1610, il comprend beaucoup de choses (satellites de
Jupiter, cratères de la Lune, phases de Vénus …)
1670 :
Hévélius, en Pologne
1893 : Meudon
(3ème lunette du monde, 60 et 80 cm)
1917 : Mont
Wilson (2,5 m)
1948 : Mont
Palomar (5m)
On fait des
plaques photographiques, inventaire moderne du Cosmos.
2001 : Caméra
« Mégacam » au CFHT : la plus grande caméra au monde (340.106
pixels, couvre sur le ciel 1° carré –soit 4 fois la surface du Soleil-,
livraison directe des images).
L'ÉPOQUE
MODERNE
Il n’a pas échappé
aux physiciens, aux astronomes, qu’il pouvait y avoir autre chose au delà des
couleurs que l’on voit de la lumière quand on la décompose :
IR mis en évidence
par Herschel en 1800,
UV mis en évidence
par Ritter et Wollaston en 1810
La révolution du
XXème siècle :
Maxwell
(1864) : la lumière n’est qu’un cas particulier du phénomène général des
ondes électromagnétiques
1895 : rayons
X découverts par Roengten
1896 :
découverte de la radioactivité naturelle par henri Becquerel
1898 :
rayonnements α et β, par P. et M. Curie
1900 :
rayonnements γ (nommés ainsi car plus puissants, et à la suite, des
rayonnements α et β) découverts par Paul Villard (ENS Paris).
LA
NATURE DE LA LUMIÈRE :
un rayonnement =
une énergie, une longueur d’onde.
La lumière visible
couvre moins de 2% du spectre électromagnétique (l’œil humain est un produit de
l’évolution, il est adapté à la Terre, au rayonnement qui provient du Soleil et
qui traverse l’atmosphère).
La diversité des
rayonnements : une autre vision de l’Univers :
quand on regarde
en :
- radio, IR : on voit l’Univers
froid,
- visible : étoiles et galaxies,
- X, γ : Univers violent ; phénomènes que l’on ne connaissait pas,
que l’on ne pouvait pas imaginer.
A part les
rayonnements visibles, radio, millimétriques, et une partie des IR, les autres
sont arrêtés par l’atmosphère terrestre (qui nous protège des rayonnements
violents). C’est pour cela que l’on ne les a découverts que récemment.
Il faut donc aller
au delà de l’atmosphère.
27 janvier 1959 =
le premier observatoire spatial au CEA (missile « Daniel », qui
comporte 3 compteurs Geiger-Muller) : le rayonnement « radioactif »
de l’atmosphère est mesuré. Mesure de la radioactivité dans la haute atmosphère
(on a fait ces mesures pour connaître la radioactivité résiduaires suite aux
essais d’armes nucléaires qui y sont faits).
1962 :
découvertes des premiers rayons X dus à des sources stellaires.
21 mai 1965 :
premier rayon X cosmique au CEA
1967 :
découverte des pulsars en rayonnement radio.
23 décembre 1968,
Kourou : les premières fusées « Véronique » (détecteurs de
rayons X).
Découverte au CEA
du rayonnement γ des pulsars (1969, Gap).
Les pulsars sont
des étoiles très denses (10 km de rayon, masse du Soleil), en rotation
rapide ; luminosité 10exp5 Soleil (en 1 jour équivaut au rayonnement du
Soleil pendant 300 ans).
Sont des étoiles
presque « invisibles » en rayons X et γ.
Sont les témoins
des explosions de SN, les sources d’éléments chimiques.
Étoiles de :
* plus de 10 Mo
(Masses solaires) : évolution en trous noirs
* 5-10 Mo :
étoiles à neutrons
* 1-5 Mo :
naines blanches
Les
étoiles « mortes » sont en général « invisibles » (10%
de la Galaxie).
(vues de photos du pulsar du Crabe, nébuleuse
du Crabe, à différentes λ) : en X et γ c’est le pulsar au centre
qui est visible > on a besoin de pouvoir observer à toutes les λ pour
pouvoir comprendre les phénomènes.
1972 :
première chambre à étincelle dans l’espace (avec caméra Vidicon = caméra télé
de l’époque, qui a la capacité de transformer une trace de photon γ en
signal électrique).
L’expérience a
bien fonctionné, mais le bas de l’instrument n’étant pas protégé, le signal a
été noyé dans le bruit de fond > ceci a servi de leçon pour la suite.
1975 : COS-B
= premier satellite scientifique au CEA > la première carte en rayons γ
de la Galaxie (7 ans pour obtenir cette carte).
Mais il y avait
une faible précision sur l’origine du rayonnement γ.
> 1989 :
le télescope Sigma.
Le centre
galactique observé par Sigma (à 50 keV) :
l’énigme du trou
noir silencieux (3.10exp6 Mo). On s’attendait à observer un fort rayonnement
γ. Or ce n’est pas le cas.
La présence du
trou noir est confirmée par des observations (en IR) du mouvement des étoiles
autour du centre.
LES
GRANDS OBSERVATOIRES SPATIAUX :
- XMM
(1999) : rayons X focalisés par 58 miroirs emboîtés, par une réflexion
rasante du rayons (X mous)
- Integral
(2001) : (autre méthode). R X haute énergie.
On ne détecte
toujours pas de source importante de rayons X mous ou durs (environ γ).
On ne comprend
toujours pas bien ; ce trou noir devrait rayonner.
En rayons X ou
γ , il y a des sources qui apparaissent ou s’éteignent tous les
jours : le ciel en X et γ n’a rien à voir avec le ciel que l’on
connaît en visible.
Projet Simbol
X : 2010 = vol de satellites en formation (2 satellites : miroir +
détecteur, positionnés à 30 m de distance, recueillent des images haute
résolution en X).
L’infra
rouge :
Cela a été plus
compliqué que ce qu’on pensait, car on n’avait pas les bons détecteurs.
1995 : le
premier vrai satellite imageur en IR : ISO (Infra red Space Observatory).
(il faut refroidir
pour observer, car sources parasites de lumière IR : télescope,
instruments, atmosphère …)
> le satellite
ISO et son télescope de 60 cm de diamètre, et … : sont refroidis à –
270°C.
Voir la naissance
des étoiles (vue de la nébuleuse de la tête de cheval, dans la constellation
d’Orion).
(en Rγ et X,
on voit les morts d’étoiles ; en IR, on voit les naissances).
Et en IR on ne
voit toujours rien au centre de la Galaxie !
2004 :
VISIR = VLT Imager and Spectrometer for
the Infra Red
2007 : le
satellite Herschel (gros instrument satellisé) : IR lointain et
submillimétrique (60-670 µm) (refroidi et porté à seulement 300 millidegrés au
dessus du zéro absolu, avec He liquide).
(télescope de 3,5
m, soit 3 fois Hubble)
L’enjeu
cosmologique : l’Univers du passé est dans l’IR, et n’est que dans l’IR
(décalage vers le rouge du à l’expansion).
Premières
étoiles ? premières galaxies ?
La lumière émise
par les premières galaxies, même si elle est dans le visible, nous apparaît en
IR.
L’enjeu réel de
l’IR est de nous faire découvrir des objets de plus en plus lointains, mais
aussi de déterminer à quel moment ils se sont formés.
JWST :
successeur du télescope spatial Hubble (2012) = James Web Space Telecope :
6,5 m de diamètre et écran thermique.
Instrument (MIRIM)
pour l’IR moyen (5-27 µm).
Sera placé au
point de Lagrange L2.