Voici la suite du dossier sur les trous noirs ! Si vous avez raté le premier épisode, vous pouvez vous rattraper par ici !

Comme souvent, les mots sont un peu trompeurs et il est important de souligner qu’un trou noir n’est pas... un trou ! En résumé, un trou noir est une énorme quantité de matière concentrée en un tout petit volume, appelée singularité. Cette matière forme un creux très profond dans l’espace-temps, de telle sorte que si un photon franchit ce qu’on appelle l’horizon du trou noir, il ne pourra plus en sortir.

Cet horizon n’est pas une frontière physique. Si lors d’un voyage (un tantinet imprudent) dans l’espace, vous le franchissiez, vous ne remarqueriez rien. Seulement, une fois à l’intérieur, il vous serait impossible de transmettre un message d’adieu à votre collègue resté prudemment à distance (pas fou le collègue). Et même avec le vaisseau spatial le plus puissant qui soit, vous ne pourriez plus sortir du trou noir...

Nous connaissons maintenant le principe général du trou noir, mais tous les trous noirs ne se valent pas : certains sont microscopiques tandis que d’autres sont des monstres galactiques. Pour s’y retrouver, les astrophysiciens les ont classé en trois familles.

Des trous noirs microscopiques qui s'évaporent

Par ordre de masse, nous trouvons d’abord les microtrous noirs. Ils sont  aussi appelés primordiaux, car on pense qu’ils se sont formés il y a environ 13 milliards d’années alors que l’univers était bien plus dense et chaud qu’aujourd’hui. Le physicien Stephen Hawking a proposé que ces trous noirs puissent s’évaporer et même disparaître. Les plus gros microtrous noirs pourraient être encore aujourd’hui en train de s’évaporer, mais leur petite taille et leur faible interaction avec leur environnement font qu’aucun n’a été encore détecté à ce jour.

Les trous noirs stellaires : cadavres d'étoiles

La deuxième catégorie regroupe les trous noirs stellaires. Ces trous noirs sont en réalité des cadavres d’étoiles massives (plusieurs fois la masse du Soleil au moment de leur mort). Toutes les étoiles passent leur vie à lutter contre la gravité, qui tend à les écraser sur elles-mêmes. Vous-mêmes, vous subissez votre propre force de gravité (personne n'est gros hein, c'est pareil pour tout le monde). A votre échelle, vous ne vous en rendez pas compte. Si vous êtes une étoile, c'est pas la même, vous vous en doutez. Heureusement, les étoiles disposent de plusieurs moyens de lutter contre cette mort certaine, et leur première technique s'appelle la fusion nucléaire.

Les étoiles sont composées en majorité d’hydrogène, qui est l’atome le plus simple : un proton accompagné d’un électron. Dans les conditions qui règnent à l’intérieur d’une étoile, la matière est sous forme de plasma, c’est-à-dire sous forme de soupe dans laquelle flottent indépendamment protons et électrons. Le feu, par exemple, est un plasma.

En temps normal, pas moyen de coller un proton à l'autre. Une force colossale les tient à bonne distance les uns des autres. Mais, la densité et la température sont tellement élevées dans les étoiles pour que les protons sont capables de fusionner, ce qui libère une grande quantité d’énergie sous forme de photons (de la lumière !). Cette forte émission de lumière permet alors de contrebalancer la gravité pendant un certain temps.

Mais lorsque les réserves d’hydrogène et d’autres éléments s’épuisent, c'est foutu, la gravité va écraser l’étoile sur elle-même, jusqu’à ce que sa taille soit comparable à celle de la Terre. A ce moment-là, la matière est si dense que les électrons se retrouvent serrés les uns contre les autres. Or les électrons, comme les protons, détestent être les uns sur les autres, ils vont alors s’agiter en tous sens pour éviter cette situation. Cela crée ce qu’on appelle une pression de dégénérescence, qui est capable de contrebalancer la gravité. Si l’étoile a une masse inférieure à 1,4 fois la masse du Soleil, son évolution s’arrêtera là et elle sera appelée naine blanche.

C’est le destin qui attend notre Soleil dans 4 à 5 milliards d’années (voire un petit peu plus selon les dernières estimations). Il se refroidira alors extrêmement lentement, jusqu’à devenir une naine noire, n’émettant quasiment plus de lumière.

Par contre, si la masse de l’étoile est plus importante que 1,4 fois la masse du Soleil, l’agitation des électrons ne suffira pas  à contrebalancer la gravité et l’étoile s’effondrera de nouveau, jusqu’à ce que son rayon atteigne seulement quelques dizaines de kilomètres. La densité est alors telle que les neutrons, qui sont les autres particules composant les noyaux avec les protons, sont alors à leur tour pris d’agitation et arrêtent l’effondrement. L’étoile est alors appelée étoile à neutrons.

Il existe des étoiles de plusieurs dizaines, voire de plusieurs centaines de masses solaires. Pour celles-ci, rien ne peut arrêter leur énorme force de gravité. Elles passent très rapidement par les stades de naine blanche et d’étoile à neutrons. La gravitation devient alors tellement forte que la lumière émise par l’étoile ne peut plus s’échapper. Si l’on pouvait observer une de ces étoiles massives à ce moment-là, on verrait l’horizon du trou noir apparaître en son centre et grossir jusqu’à englober toute l’étoile. Celle-ci disparaîtrait alors de notre vue pour toujours.

Des monstres affamés au centre des galaxies

Pour terminer notre promenade au bestiaire des trous noirs, passons enfin aux plus grands monstres de l’univers : les trous noirs galactiques. Avec leur masse variant de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires, ils sont tapis au centre de presque toutes les grosses galaxies. Le déroulement de leur naissance et de leur croissance n’est pas encore parfaitement connu. Dans un premier scénario, les premiers trous noirs de l’histoire de l’univers étaient plus massifs qu’aujourd’hui et en ont ensuite mangé d’autres. Une autre hypothèse envisagée est l’effondrement d’énormes nuages de gaz et de poussière qui formeraient alors directement les trous noirs galactiques.

Le plus connu des trous noirs galactiques est celui qui se trouve au centre de notre galaxie, la Voie Lactée, et qu’on appelle Sagittarius A* (abrégé par SgrA*) car il est situé dans la constellation du sagittaire. Sa masse a beau être égale à quatre milliards de fois la masse du Soleil, les astrophysiciens n’ont eu les premiers indices de son existence qu’en 1979 et leurs premières certitudes datent seulement de la fin des années 90. Il faut dire pour leur défense que SgrA* est situé à 26 000 années-lumière de nous. L’observer, c’est comme essayer de voir un cheveu à 380 km de distance !

Comment observer un trou noir ?

Heureusement il existe de nombreux moyens indirects pour observer un trou noir. En regardant les étoiles tourner autour de SgrA*, les astrophysiciens ont pu par exemple déterminer sa masse. Ils peuvent également observer la lumière émise par les trous noirs lorsqu’ils dévorent de la matière. D’autre part, avec leur forte gravité, les trous noirs se trahissent en déviant et en déformant la lumière qui passe près d’eux. Les étoiles derrière eux peuvent alors apparaître dupliquées ou leur lumière amplifiée.

Un autre moyen d’obtenir des informations sur les trous noirs est de regarder comment ils déforment l’espace-temps autour d’eux. Quand par exemple deux trous noirs tournent l'un autour de l'autre, ils génèrent des ondes gravitationnelles, c'est-à-dire des sortes de vagues qui se propagent et déforment sur leur passage à la fois l'espace et le temps (Lire ici l'article sur leur première détection).

Sur l'image ci-dessous, vous pouvez voir une simulation d'un trou noir en train de manger un nuage de gaz qui passe !

Les premières images directes de SgrA* devraient être obtenues dans les prochaines années, grâce au développement des radiotélescopes (observant les ondes radio) en réseau, comme ALMA (Atacama Large Millimeter Array). Le monstre nous laissera pour la première fois entrevoir sa silhouette, entourée de lumière, et ouvrira une nouvelle ère dans l’étude des trous noirs en permettant aux physiciens de tester la relativité d’Einstein dans des conditions extrêmes.

Si vous voulez savoir à quoi ressemblerait un voyage près d'un trou noir, le meilleur moyen reste encore de regarder le film Interstellar ! Les simulations du trou noir sont en effet basées sur de vraies équations (voir l'article pour plus de détails ici).

Envie de plus de trous noirs ? Consultez les dates de mes prochaines conférences ci-dessous ou bien demandez-moi carrément de venir en donner une par chez vous !

Le rover Curiosity a touché la surface de Mars ce matin, au terme d'un voyage de 36 semaines, après ce que l'équipe de la NASA a appelé les "7 minutes de terreur". En effet, le système d'atterrissage (ou d'amarsissage) était particulièrement complexe et surtout encore inédit, combinant un bouclier thermique, un parachute et un étage-grue pour la dernière partie (ils sont fous ces Américains). Tout s'est finalement passé sans encombre.

La vie sur Mars a-t-elle un jour été possible ?

Le rover de presque une tonne, cinq fois plus massif que ses prédécesseurs Spirit et Opportunity, est bien mieux équipé, embarquant 10 instruments scientifiques. Durant son road trip de deux ans, il devra d'abord répondre à cette question cruciale : Mars a-t-elle pu abriter la vie ? La NASA ne parle pas de petits mecs verts bien sûr (pourquoi verts d'ailleurs ?) mais plutôt de vie microbienne.

Le cratère dans lequel le rover a posé ses roulettes est parfaitement adapté à cet objectif. Les images prises depuis l'orbite de Mars montrent en effet des minéraux qui se forment habituellement dans l'eau. Le rover pourrait alors confirmer l'existence d'une période plus humide dans l'histoire de la Rouge, il y a plusieurs milliards d'années. Il dispose pour cela pour la première fois d'un laser pouvant provoquer la fusion de la surface des roches, jusqu'à 7 mètres de distance. L'analyse de la lumière émise par ces roches permet alors de déterminer leur composition chimique.

Vers la colonisation de Mars !

Les autres objectifs de sa mission sont de caractériser le climat de Mars, de préciser sa géologie et de préparer l'exploration humaine. Des entreprises plus ou moins sérieuses se préparent d'ailleurs déjà à envoyer des hommes vers Mars, comme Mars One (http://mars-one.com/en/), qui espère établir le premier campement humain sur Mars en 2023.

Ce genre de projet est pour l'instant accueilli avec beaucoup de scepticisme par les spécialistes du domaine. Mais il montre l'importance grandissante des entreprises non gouvernementales dans la conquête spatiale. Elles seront probablement bientôt les seules à avoir les moyens d'envoyer des humains dans l'espace, comme prédit dans l'excellente trilogie de Mars de Kim Stanley Robinson.

Pour aller plus loin

• La première photo prise par Curiosity.
  

L’humanité colonisera-t-elle un jour d’autres planètes, voire d’autres systèmes stellaires ? Une nouvelle étape dans l’exploration de l’univers vient en tout cas d’être franchie. Pour la première fois, une machine fabriquée par l’homme s’apprête à sortir du système solaire, à 18 milliards de kilomètres de nous, soit plus de 120 fois la distance entre la Terre et le Soleil. Il s’agit de la sonde Voyager 1, qui a quitté la Terre le 5 septembre 1977... Retour sur une mission exceptionnelle, qui est loin d'être terminée.

es deux sondes Voyager 1 et 2 ont été initialement conçues pour aller observer Jupiter et Saturne, ce qu’elles ont fait de 1979 à 1981, révélant par exemple que Jupiter possède des anneaux. C’est alors que fut prise cette photo célèbre appelée «The Pale Blue Dot» (Le point bleu pâle). Ce petit point, c’est la Terre, vue depuis le voisinage de Saturne, à 6 milliards de kilomètres de distance. On en oublierait presque les tweets, Didier Deschamps et le redressement productif, non ?

Des planètes géantes...

Après de si beaux résultats, l’âge de la retraite était pourtant loin de sonner pour les deux sondes, encore en très bon état de marche. Leur nouvelle mission : explorer les autres planètes du système solaire, et même au delà. A la vitesse de 60 000 km/h (à cette vitesse, la sonde ferait un tour et demi autour de la Terre en une heure), la sonde Voyager 2 a atteint Uranus cinq ans plus tard, en 1986.

Elle est la seule sonde à ce jour à avoir observé de près l’atmosphère bleu-vert et glacée (environ -200°C) d’Uranus. Nous lui devons également les seules photographies de Neptune, la belle bleue aux vents terribles, plus de 2000 km/h, prises en 1989. Les deux Voyager ont aussi découvert 33 nouvelles lunes autour des planètes du système solaire. Et leur mission n’est toujours pas terminée.

...Aux confins du système du solaire

Aujourd’hui, après 35 ans de voyage, la sonde Voyager 1 a atteint les frontières de notre système solaire. Il s’agit des limites de la zone d’influence du champ magnétique du Soleil, appelée héliosphère. Comme un énorme aimant, et comme la Terre, le Soleil génère un champ magnétique. Ce champ est capital pour l’existence de la vie sur Terre car il nous protège en partie des particules cosmiques très rapides et dangereuses, générées par la mort des étoiles massives en supernovae ou par le cœur de certaines galaxies.

Les limites et la forme exacte de cette frontière entre l’héliosphère et l’extérieur, qu’on appelle milieu interstellaire, sont encore mal connues. Il y a quelques mois, Voyager 1 a commencé à traverser cette frontière, révélant que celle-ci est très turbulente et constituée de «bulles» magnétiques fluctuantes, formées par les lignes de champ magnétique se détachant de l’héliosphère.

Dérive vers l’inconnu

Les dernières données envoyées, qui mettent maintenant plus de 33 heures à nous atteindre, montrent que la sonde navigue maintenant depuis plusieurs jours hors de l’influence du Soleil. Les astrophysiciens vont pouvoir pour la première fois obtenir des informations directes sur les conditions qui règnent dans ces régions éloignées.

Dernière partie de leur mission, les deux sondes emportent avec elles, en plus des instruments scientifiques, un disque sur lequel sont gravées des informations représentant la Terre et l’humanité. Ce sont des images variées, de la structure de l’ADN à la photo d’un supermarché. Des musiques du monde entier, des sons et des salutations en 55 langues différentes complètent le tableau. Le générateur nucléaire de Voyager 1 devrait cesser de fonctionner vers 2020, mais elle continuera de dériver dans l’espace, emportant notre message vers d’autres étoiles.

Pour aller plus loin :

• Où sont les sondes Voyager en temps réel !
• Les images prises par les sondes.
• Ce qu’il y a sur le disque.
  

Fan de Deep Impact et Armageddon ? Ne manquez pas le dernier astéroïde géocroiseur du moment ! Ce soir, un bloc de roche de 45 mètres de diamètre va passer près de la Terre (d’où le terme de géocroiseur), plus précisément à 27 000 km de là.

C’est bien sûr largement en dehors de l’atmosphère et même bien plus loin que l’orbite de la station spatiale internationale, mais quand même plus près que certains satellites météorologiques et de communication. Cette distance représente grossièrement deux fois le diamètre de le Terre. La météorite sera visible à l’aide de jumelles ou d’un petit télescope à l’est vers 21h. Profitez-en, son prochain passage est en 2046 !

Je m’excuse auprès des catastrophistes et des adorateurs de Bruce Willis (je t'aime Bruce), la NASA connaît suffisamment bien la trajectoire suivie par l’astéroïde, assez semblable à celle de la Terre autour du Soleil, pour pouvoir nous assurer qu’il n’y a pas de risque que le rocher nous tombe dessus. Profitons plutôt de cette petite visite amicale pour apprendre à mieux connaître les astéroïdes.

Une planète qui n’a pas pu naître

Notre visiteur s’appelle DA14, est composé de roche et de glace et pèse 130 000 tonnes, ce qui en fait un exemplaire assez ordinaire de sa grande famille. La plupart des astéroïdes vient d’une zone située entre les orbites de Mars et de Jupiter, appelée à juste titre ceinture d’astéroïdes. C’est un anneau composé de poussière, cailloux et rochers, avec une masse totale qui représente seulement 4% de la masse de la Lune. On pourrait la traverser sans encombre avec un vaisseau car la distance moyenne entre deux astéroïdes est de plusieurs millions de km !

Aujourd’hui on pense que la ceinture d’astéroïdes s’est formée dès les débuts du système solaire. Lorsque le Soleil est né, il était entouré d’un disque de poussière et de gaz. Avec le temps, ces particules se sont agglomérées au fil des collisions pour former les planètes. La présence de Jupiter, très massive, a empêché la formation d’une planète à l’emplacement de la ceinture d’astéroïdes, les particules ayant une vitesse trop importante pour s’agglomérer.

Certains de ces cailloux sont parfois éjectés de la ceinture et errent dans le système solaire. Ces objets sont surveillés par un programme de la NASA appelé NEOO (Near Earth Object Observation) qui cherche dans le ciel les plus gros exemplaires et prévoit leur trajectoire. Ils se servent de télescopes sur Terre et dans l’espace pour recueillir les informations nécessaires au calcul de leur trajectoire.

On estime à environ 1300 le nombre d’astéroïdes de plus de 140 m de diamètre ayant une orbite pouvant croiser un jour celle de la Terre. Mais c’est la première fois que les scientifiques prévoient le passage d’un astéroïde si gros à une si faible distance de la Terre. Tous les regards seront déjà tournés vers D414 pour en apprendre un peu plus.

Les briques de la vie venues de l’espace ?

Une des hypothèses les plus intéressantes concernant les météorites est qu’elles pourraient être des transporteurs naturels à l’origine de la vie. Aujourd’hui, plusieurs milliers de tonnes de matière d’origine extraterrestre tombent sur Terre chaque année, probablement plus par le passé. La composition de ces roches est examinée à la loupe depuis longtemps, révélant de nombreuses molécules dites «organiques», c’est-à-dire principalement à base de carbone. Elles sont souvent appelées briques élémentaires de la vie, car ce sont elles qui constituent tous les éléments nécessaires à la fabrication de l’ADN. Ainsi les météorites sont une des multiples voies envisagées pour expliquer l’origine de la vie sur Terre.

Ayez alors, ce soir, une petite pensée pour ces cailloux intergalactiques, nous sommes peut-être là en partie grâce à eux...

  
Pour vos vacances, choisissez Tatooine ! La planète aux deux soleils, pour bronzer plus longtemps !

Un jour nous explorerons d’autres systèmes stellaires, dans lesquels nous rechercherons des planètes habitables. De l’eau liquide, une température digne de Miami et la végétation d’Avatar, c’est peut-être beaucoup demandé mais le bestiaire des exoplanètes (planètes hors du système solaire) s’agrandit de jour en jour. Il compte plus de 700 membres confirmés et des milliers de candidates à vérifier, seulement dix-sept ans après la première exoplanète découverte. Il s’enrichit de planètes hostiles mais aussi de mondes ressemblant à notre Terre. Parmi les dernières découvertes, il y a celles qui ont plusieurs soleils, nous rappelant la planète de Luke Skywalker de la Guerre des étoiles. D’autres encore, découvertes récemment, sont minuscules et brûlantes car très proches de leur soleil. Une année sur ces planètes, c’est-à-dire le temps mis pour faire un tour autour de leur étoile, dure seulement quelques jours.

Des planètes plus nombreuses que les étoiles

De nombreuses exoplanètes ont été découvertes par le satellite Kepler, lancé en 2009, spécialement conçu pour trouver des planètes ressemblant à la Terre. Pour détecter ces planètes, la méthode est très simple : c’est le principe de l’éclipse. Quand une planète passe entre son étoile et nous, la lumière émise par l’étoile s’affaiblit légèrement et on peut alors en déduire les caractéristiques de la planète, comme sa masse et son rayon (voir cet autre article pour plus de détails sur la détection d'exoplanètes). Intuitivement on peut comprendre qu’une grosse planète masquera plus la lumière qu’une petite. Dans les premières années de la recherche d’exoplanètes, seules les plus grosses étaient découvertes car ce sont les plus faciles à détecter.

Mais petit à petit, des planètes de plus en plus petites et ressemblantes à la Terre sont aperçues et avec elles, notre compréhension des systèmes planétaires s’améliore sans cesse. En quelques années nous sommes passés de l’idée que notre planète était rare à la conviction que la plupart des étoiles de notre galaxie héberge au moins une planète, ce qui représente plus de 160 milliards de planètes ! La prochaine fois que vous admirerez la Voie Lactée, imaginez qu’il y a probablement deux fois plus de planètes invisibles à nos yeux que d’étoiles.

La première planète habitable découverte

Ces planètes représentent tout autant de mondes habitables potentiels. Justement, un des derniers exploits du satellite Kepler, est la confirmation en décembre dernier, de l’existence d’une exoplanète, appelée Kepler 22-b, de taille comparable à celle de la Terre et située dans la «zone habitable». C’est-à-dire qu’elle est située à bonne distance de son étoile, ni trop loin, ni trop près, permettant l’existence de l’eau sous forme liquide. Cette planète forme donc à priori un milieu favorable à la vie, en supposant que la vie se développe de la même façon que sur Terre.

Elle est à peu près deux fois plus grosse que la Terre et la température moyenne à sa surface est plutôt agréable, estimée par le calcul à 22°. Par contre, attendez un peu pour investir dans une station balnéaire, il faut encore confirmer que la planète a bien une atmosphère, car sans elle la température n’atteindrait qu’un modeste -11°. Restent aussi quelques petits détails : confirmer que la planète est rocheuse et non pas gazeuse comme Jupiter et bien sûr trouver un moyen «rapide» de s’y rendre, Kepler 22-b se situant quand même à 620 années lumière de nous (voir encart)...

Vers la première planète habitée ?

Ces découvertes apportent des arguments au célèbre paradoxe de Fermi, proposé par le physicien du même nom dans les années 30. Il est souvent résumé par la question «Where is everybody ?» (Où est tout le monde ?). Le problème est le suivant : la probabilité de voir naître une civilisation évoluée sur une planète est extrêmement faible, mais le nombre de planètes est tellement gigantesque que cela devrait s’être produit. Alors pourquoi n’avons nous eu encore aucun contact avec eux ? Maintenant que nous savons que l’univers foisonne de planètes, cette petite question revient nous taquiner..

Pour aller plus loin

• La publication sur Kepler 22-b (en anglais)
• Le site du satellite Kepler de la NASA (en anglais)
• Un article de wikipedia très complet sur le paradoxe de Fermi

Vous trouvez que le mois de juillet est un peu trop chaud à votre goût ? Ne vous plaignez pas ! Sur Mercure, la journée dure 3 mois et la température peut atteindre 400° C ! Cette petite planète, la plus proche du Soleil, a de nombreuses particularités, en plus de ses températures caniculaires. Elle a par exemple une composition interne différente des autres planètes. Une équipe d’astrophysiciens suisses vient de proposer un nouveau scénario de formation, qui permettrait d’expliquer cette différence.

Dans notre système solaire, toutes les planètes ne se ressemblent pas. Certaines sont constituées principalement de gaz, ce sont les géantes gazeuses comme Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. D’autre part, il y a les planètes telluriques, comme la Terre, Mars, Vénus et Mercure, qui sont principalement constituées de roches et de métaux. Sur le schéma ci-dessous, on peut voir que toutes les planètes possèdent un noyau métallique, un manteau et une croûte constitués de roche. Par contre, Mercure semble avoir un noyau énorme par rapport à sa taille. Le noyau de Mercure représente 65% de sa masse, alors que pour la Terre, c’est seulement 32%. Autrement dit : Mercure n’a quasiment pas de manteau !

Une collision tout en douceur

De nombreuses hypothèses ont été avancées pour expliquer cette différence, comme la collision avec d’énormes météorites qui auraient arraché de la matière à Mercure ou l’influence du Soleil qui aurait empêché la planète de former son manteau mais aucune n’est parfaitement satisfaisante. Mais ce qui est bien, c’est que les physiciens adorent les théories qui ne marchent pas : cela veut dire qu’il y a encore beaucoup à découvrir !

Une équipe de l’université de Bern vient de proposer un nouveau scénario. Mercure aurait percuté une ou plusieurs fois une autre planète, la Terre ou Vénus, à l’époque où les planètes étaient en cours de formation. Mais ce ne serait pas une collision genre Deep Impact où presque tout le monde meurt à la fin et où Mercure finit en petits morceaux. Ce serait plutôt le genre de collision en douceur avec délit de fuite ! Juste assez pour arracher une bonne moitié du manteau de Mercure, manteau qui est ensuite attrapé par la gravité de l’autre planète.

Les astrophysiciens s’accordent à peu près sur l’idée que Mars et Mercure sont les deux seules survivantes d’une population d’une vingtaine de petites planètes. La plupart se sont aggloméré par collisions successives sur la Terre et Vénus. Contrairement à Mercure, Mars n’aurait jamais été percutée.

La prochaine fois, sur la plage, regardez le sable entre vos orteils, vous trouverez peut-être un petit morceau de la planète Mercure.

Pour en savoir plus :

• Le site de l’université d’Arizona (en anglais)
• L’article de Nature (en anglais)

Nous sommes survolés en permanence : avions, satellites, stations spatiales mais aussi météorites et comètes se promènent au dessus de nos têtes ! L’une de ces comètes, qui répond au nom de Churyumov-Gerasimenko (vous pouvez l’appeler Tchouri, elle ne vous en voudra pas), se trouve maintenant à 650 millions de kilomètres de la Terre. Elle ne va pas s’écraser sur Terre, non, c’est plutôt nous qui allons à sa rencontre. Il y a dix ans, l’agence spatiale européenne a envoyé la sonde Rosetta avec pour mission l’étude détaillée de la comète. Aujourd’hui, Rosetta l’a enfin rejoint et va se mettre en orbite autour d’elle !

Les comètes, ça vous dit quelque chose, j’en suis sûre. Si vous n’êtes pas trop jeune (ça a des avantages, siii !), vous avez peut-être vu passer la comète Hale-Bopp en 1997 ou celle de Halley en 1986. Les comètes sont des boules de neige sales qui, quand elles s’approchent du Soleil, voient leurs glaces fondre et se répandre en une immense queue de gaz et de poussière.

Les comètes sont de précieux objets d’étude pour les astrophysiciens. Leur composition nous éclaire par exemple sur la naissance du système solaire. Quand le système solaire s’est formé, l’essentiel de la matière a donné naissance au Soleil et aux planètes. Les restes ont formé les comètes et les météorites, qui sont alors restés quasiment inchangés jusqu’à aujourd’hui. D’autre part, les comètes auraient largement contribué à apporter l’eau sur Terre quand celle-ci était encore très jeune et chaude. Enfin, certaines études suggèrent qu’elles pourraient même avoir apporté la vie sur Terre ! Ce n’est encore qu’une hypothèse, mais une hypothèse très intéressante.

La comète en forme de corn-flake

L’étude de cette comète au nom imprononçable va sans doute éclairer ces questions. Pour vous donner une idée, elle fait quelques kilomètres de diamètre, ce qui est plutôt habituel chez les comètes. Sa masse, 3000 milliards de kg, équivaut à dix fois la masse de toute l’humanité réunie ! Les premières photos prises par Rosetta il y a une quinzaine de jour ont révélé que la comète avait une forme particulièrement tarabiscotée (voir image ci-dessous).

Cette comète sera la première à être explorée par un engin humain. En effet, la sonde Rosetta, qui va rester en orbite autour de la comète, emporte aussi avec elle un atterrisseur appelé Philae. Celui-ci pèse une centaine de kilos et est muni d’une dizaine d’instruments scientifiques. Il pourra forer le sol sur une vingtaine de centimètres pour analyser précisément la composition de la comète.

Un atterrissage à risque

L’atterrissage, prévu pour le 11 novembre prochain, promet quelques sueurs froides aux scientifiques. D’abord, il va falloir sélectionner le site d’atterrissage en fonction de nombreux paramètres, comme l’ensoleillement ou l’orbite suivie par Rosetta. Le sol va ensuite être analysé à distance par la sonde. En effet, il faut envisager tous les cas car on ne connaît pas à l’avance la consistance du sol. Si le sol est mou, Philae mettra à profit ses pieds-raquettes. Si le sol est élastique, une petite rétrofusée le plaquera au sol. Dernière complication, la gravité est extrêmement faible à la surface de la comète. N’imaginez pas faire un petit tour là-bas en tongs, la moindre petite impulsion vous enverrait dans l’espace. Les pieds de l’atterrisseur sont heureusement munis de vis pour s’arrimer fermement dans le sol.

Pendant que Philae analysera le sol et prendra les premières photos en relief de la surface, Rosetta étudiera entre autres le dégazage de la comète, c’est-à-dire la transformation des glaces de la comète en gaz sous l’action du Soleil. Philae devrait fonctionner quelques mois tandis que Rosetta accompagnera la comète pendant 18 mois.

Pour aller plus loin :

• Le site de l'ESA

Le trou noir, c’est un peu le Dark Vador de la force de gravité. Il est en fin de vie mais est plus puissant que jamais et ne rêve que d’engloutir tout ce qui passe à sa portée. Et bien sûr, ce qui intéresse tout le monde, c’est la façon dont il est passé du côté obscur. En d’autres termes, comment un trou noir naît-il ? C’est cette question qu’éclaire la toute récente découverte des astrophysiciens Heino Falcke et Luciano Rezzolla.

Revenons d’abord rapidement sur la jeunesse du trou noir. Sa vie commence sous forme d’une étoile très massive. Toute son existence est consacrée à lutter contre la gravité, qui tend à l’écraser sur elle-même. Tant que l’étoile peut réaliser la fusion nucléaire en son cœur, il est facile de contrebalancer la gravité. Mais quand le carburant vient à manquer, les choses se corsent ! L’étoile s’effondre sur elle-même jusqu’à ce que sa taille soit comparable à celle de la Terre. On l’appelle alors naine blanche. Sa densité est telle que les électrons, serrés les uns contre les autres, deviennent un peu dingues et s’agitent dans tous les sens, si bien qu’ils sont capables d’arrêter l’effondrement !

La naissance du trou noir

Mais si l’étoile est vraiment très massive, cela ne suffira pas à la sauver. L’effondrement va continuer jusqu’à ce les neutrons se mettent à leur tour à s’agiter. L’étoile est alors appelée étoile à neutrons. Et si la masse de l’étoile est suffisante, la gravité finit par gagner et l’étoile se transforme alors en trou noir. On peut définir simplement un trou noir comme un endroit où une énorme quantité de matière est concentrée dans un tout petit volume, de telle sorte que, en dessous d’une certaine distance au trou noir, appelé horizon, rien ne peut échapper à son attraction gravitationnelle, pas même la lumière.

Vous comprendrez alors facilement qu’observer ces trous noirs, qui par définition n’émettent pas de lumière, est un sacré challenge ! Aujourd’hui, il n’existe pas encore de photo d’un trou noir, même si des instruments sont développés pour atteindre cet objectif. Notre seul moyen de les débusquer est de chercher des preuves indirectes, comme par exemple de la lumière émise par la matière en train d’être dévorée par le trou noir.

Les adieux de l’étoile à neutrons

C’est au cours de cette recherche que nos deux astrophysiciens ont découvert un signal qui pourrait bien être le dernier message d’une étoile à neutrons avant son engloutissement en trou noir. Ou si on préfère le verre à moitié plein, le premier message du trou noir nouvellement formé. Ce signal extrêmement court et puissant a été capté par des radiotélescopes, c’est-à-dire des télescopes recevant non pas la lumière visible par nos yeux, mais une lumière de plus basse énergie, en deçà de l’infrarouge.

A l’aide de modélisations numériques, les astrophysiciens ont envisagé plusieurs scénarios pour expliquer ce flash lumineux. Voici le scénario le plus probable : une étoile à neutrons très massive est en rotation rapide, ce qui lui permet momentanément de ne pas s’effondrer. Mais cette étoile à neutrons possède un champ magnétique, comme celui d’un aimant, qui va ralentir sa rotation petit à petit. Il arrive alors un moment où elle ne tourne plus assez vite et, vous devinez la suite, la gravité gagne encore !

L’étoile à neutrons se transforme alors en trou noir. Cette transformation va avoir pour effet de couper les lignes de champ magnétique de l’étoile qui vont se replier brutalement, générant un intense flash lumineux. Ce genre d’événement est désormais appelé «blitzar» (de Blitz signifiant flash en allemand). Les astrophysiciens ont désormais un nouveau moyen de détecter la naissance de ce type de trous noirs, de quoi mieux comprendre la formation de ces monstres de l’obscurité.

Article rédigé par Sarah Fechtenbaum le 10 juillet 2013.

Pour comprendre le concept de trou noir, il nous faut l’aide de notre physicien chevelu préféré : Albert Einstein. L’une des idées révolutionnaires proposées par Einstein, aidé par le travail du mathématicien et physicien Hermann Minkowski, c’est que l’espace et le temps sont en réalité deux aspects d’une même chose : l’espace-temps. L’univers n’est pas constitué de trois dimensions séparées (que l'on peut appeler par exemple hauteur, largeur et profondeur), accompagnées d’une dimension temporelle, mais d’un tissu d’espace-temps à quatre dimensions.

Dans notre quotidien, l’espace et le temps nous semblent pourtant bien séparés et immuables. Le temps s’écoule de la même façon pour vous et pour moi, et nous apprenons à l’école que deux droites parallèles ne se croisent jamais. Si, si, la maîtresse nous a dit ça.

La masse déforme l’espace-temps

Je ne peux pas vous faire un dessin à quatre dimensions, alors, pour bien comprendre les choses, nous allons supprimer virtuellement l’une de nos dimensions spatiales, par exemple la hauteur. Imaginons que nous sommes des êtres plats vivant sur un drap et qu’il nous est strictement impossible de quitter ce drap, tels de gentils acariens (je vous épargne la photo d'acariens pour que personne ne fasse de cauchemar).

Si aucun objet massif, comme une planète ou une étoile, n’est situé près de nous, tout se passe comme d’habitude : le temps s’écoule de la même façon pour tous et les droites parallèles le restent. Mais plaçons à présent un objet massif, la Terre par exemple, au centre de ce drap. Le tissu d’espace-temps est maintenant creusé là où se trouve la Terre et, autour d’elle, les droites parallèles se rapprochent les unes des autres. Elles peuvent même se couper ! Vous aurez le droit de vous la péter la prochaine fois que vous croiserez votre instit' à la boulangerie.

L’autre effet de la présence d’un objet massif est la distorsion du temps. Imaginons que nous pouvons placer une horloge – très résistante – à la surface du Soleil et une autre très éloignée de notre étoile. Au bout d’un an, l’horloge placée près du Soleil affichera un retard d’environ une minute par rapport à l’autre ! C’est la gravité exercée par le Soleil qui est responsable de ce décalage. Lorsqu’on se trouve près d’une masse, notre temps, vu par un observateur éloigné, s’écoule moins vite. Cet effet, mesuré depuis les années 1960, est pris en compte aujourd’hui dans la conception des GPS.

Une conséquence très importante de cette distorsion du temps est le rougissement de la lumière. On peut comprendre ce phénomène en considérant la lumière comme une onde. Plus les vagues sont rapprochées dans le temps, plus la lumière est bleue et possède une énergie élevée, tandis que, plus ces vagues sont espacées, plus la lumière tend vers le rouge et possède une énergie basse. Si nous observons un photon, c’est-à-dire une particule de lumière, passer près d’un objet massif, nous allons voir son temps se dilater. La lumière que nous allons percevoir sera rougie. Cela revient également à dire que le photon aura perdu de l’énergie.

Mais que se passe-t-il si la masse de l’objet devient extrêmement importante ? C’est la question à laquelle a répondu l’astrophysicien Karl Schwarzschild. Il a cherché à comprendre ce qui arrive à l’espace-temps en présence d’une masse ponctuelle – c’est-à-dire réduite à un point, pour simplifier le problème. Par ses calculs, il a mis en évidence une masse limite pour laquelle la gravité tend vers l’infini. Le temps est alors infiniment dilaté et les photons perdent alors toute leur énergie. Sans énergie, les photons ne peuvent plus se propager. L’objet apparaîtra alors totalement noir. C’est le principe du trou noir !

Le diaporama ci-dessous vous montre la déformation de l'espace-temps engendrée par un objet de plus en plus massif, d'abord la Terre, puis le Soleil, puis une étoile massive et enfin une étoile tellement massive que la lumière qu'elle émet ne parvient plus à s'échapper du creux formé dans l'espace-temps. On ne peut alors tout simplement plus voir l'étoile (ou n'importe quel objet situé dans le creux), c'est la définition d'un trou noir.

Malgré ces bizarreries, du point de vue d’un physicien, un trou noir est un objet très simple comparé à une étoile, par exemple, car seuls trois ingrédients sont nécessaires pour le décrire : sa masse, sa rotation et sa charge électrique. Pour décrire une étoile, on a aussi besoin de sa luminosité, de sa composition chimique… Le physicien John Archibald Wheeler usait à ce sujet d’une expression qui est restée célèbre : « Les trous noirs n’ont pas de cheveux ! » Il entendait par là que le trou noir ne garde pas de mémoire de ce qu’il a englouti. Qu’il ait mangé une étoile, une planète ou un vaisseau spatial, aucune trace extérieure, aucun « cheveu », ne restera visible pour un observateur extérieur.

Fin de la partie 1 du dossier sur les trous noirs ! La suite très bientôt !
Ce dossier a été publié dans le numéro 7 de la revue l'Eléphant, que vous pouvez retrouver ici !

Les étoiles influencent votre vie ! Non, je n’ai pas décidé de laisser tomber la physique pour me mettre à l’astrologie. Il s’agit de la conclusion du dernier article très sérieux du Danois Henrik Svensmark. Plus précisément, il suggère que la mort des étoiles massives influence le climat de la Terre et donc potentiellement la vie...

Car ce genre d’étoile monstrueuse, au moins huit fois la masse du Soleil, ne se cache pas pour mourir. Quand cela arrive, toute la galaxie est au courant ! Ce qui n’est pas le cas des petites étoiles, comme notre Soleil. Certes, dans leur vieillesse, elles peuvent passer par des phases boulimiques un peu envahissantes. Notre Soleil, dans à peu près 4,5 milliards d’années, grossira jusqu’à presque avaler la Terre.

Rassurez-vous, bien avant cela, la température aura tellement augmenté que nous serons partis depuis longtemps. Après cet épisode, une fois une bonne partie de sa matière éjectée, le coeur du Soleil formera une naine blanche. Des voyageurs passant près de notre défunt Soleil à ce moment-là verraient à sa place un gros caillou de la taille de la Terre mais encore assez chaud pour émettre de la lumière, tel un tison chauffé à blanc. Cette naine blanche se refroidira alors très lentement jusqu’à s’éteindre complètement.

La fin violente des étoiles monstrueuses

Les étoiles géantes, elles, sont comme nos plus grandes stars. Leur vie est courte mais spectaculaire et leur mort à couper le souffle. Etant très massives, la gravité en leur coeur est beaucoup plus importante que chez leurs consoeurs plus modestes. Et grosse voiture implique gros moteur et... consommation élevée ! Ces étoiles utilisent leur carburant, l’hydrogène, à toute vitesse. L’hydrogène est fusionné en hélium, puis l’hélium en éléments de plus en plus lourds, jusqu’au fer.

Et déjà, la mort ! Ces monstres finissent leur vie en une explosion extraordinairement puissante, appelée supernova. L’étoile est à ce moment-là plus brillante qu’une galaxie toute entière. On pense qu’il s’en produit à peu près trois par siècle dans notre galaxie. Quand la prochaine aura lieu, vous pourrez la voir même en plein jour.
A cet instant, d’autres éléments chimiques plus lourds que le fer sont créés, qui sont alors dispersés dans toute la galaxie par l’explosion. Ainsi par exemple l’or de vos bijoux vient des supernovae qui ont eu lieu dans le coin il y a quelques milliards d’années...

Des étoiles à la Terre

Mais la supernova ne se contente pas d’offrir de magnifiques photos aux astronomes, elle génère aussi un intense déluge de particules, surtout des protons et des noyaux d’hélium, qu’on appelle rayons cosmiques. Nous sommes en permanence traversés par ce genre de particules, bien qu’une partie d’entre elles soit repoussée par le champ magnétique du Soleil et par celui de la Terre. En cas de supernova, la quantité de rayons cosmiques reçus sur Terre augmente sensiblement.

Dans son dernier article, Svensmark a observé une forte corrélation entre la quantité de rayons cosmiques reçus sur Terre et les variations du climat et de la biodiversité, sur les 500 derniers millions d’années. Pour appuyer son hypothèse, il a d’abord calculé la variation de la quantité de rayons cosmiques sur cette période, en estimant le nombre de supernovae ayant lieu eu à proximité du système solaire. Puis il a comparé ces variations à celles du climat et de la biodiversité.

Une pluie cosmique bénéfique à la vie ?

Voici son scénario : la pluie de particules en provenance de l’étoile mourante interagit avec les molécules de l’atmosphère et favorise la formation de petites poussières sur lesquelles se forment des gouttelettes d’eau, constituant des nuages bas. Ces nuages provoquent alors un refroidissement rapide du climat car une plus grande partie de la lumière du Soleil est renvoyée vers l’espace. Ce court épisode glaciaire entraînerait une baisse du niveau de la mer, engendrant une érosion accrue des terres découvertes. Les traces de ces événements sont encore aujourd’hui observables et ont servi de base au travail de Svensmark.

Les conséquences pour les êtres vivants de l’ensemble de la Terre seraient plutôt paradoxales : cette période froide mettrait les espèces dominantes en difficulté, favorisant d’autres espèces, les poussant toutes à évoluer. Les habitats, des pôles à l’équateur, seraient aussi plus variés dans ce cas. La biodiversité augmenterait. A l’inverse, une période chaude entraînerait une baisse de la biodiversité car la planète étant plus facile à vivre, l’évolution ne serait alors pas encouragée.

Le travail de Svensmark pourrait fournir le premier lien entre la quantité de rayons cosmiques reçus et le climat terrestre. Les supernovae ayant eu lieu à proximité du système solaire expliqueraient alors des épisodes de baisse rapide du niveau de la mer, dont l’origine était restée floue jusqu’à aujourd’hui. Comme le dit l’auteur lui-même, les modélisations sont encore à améliorer et les indices géologiques sont bien sûr plus incertains à mesure que l’on remonte loin dans le passé. Mais c’est une première étape dans notre compréhension des relations entre la Terre et son environnement galactique.

Ainsi les supernovae pourraient ponctuer et modifier l’évolution du vivant. Nous sommes constitués de poussières d’étoiles, mais plus encore, il est probable que l’histoire de la galaxie s’inscrive dans celle de la vie.

Pour aller plus loin :

• L’article de recherche (en anglais)
• Autres magnifiques images de rémanents de supernovae.
• Les échelles : de l’univers à l’intérieur des atomes.
  

Article rédigé par Sarah Fechtenbaum le 13 mai 2012