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Les moyens d’observation

Pour les observations sur le terrain, consultez la fiche consacrée aux objets les plus marquants.

L’astronomie est une science d’observation, non une science expérimentale. La connaissance que nous avons de l’Univers provient de l’interprétation des messages qu’il nous envoie. Ces messages étaient constitués uniquement d’images jusqu’à une époque très récente. Ce chapitre est destiné à faire le point sur les phénomènes physiques exploitables dans ce sens.

La source d’information la plus évidente, car nos sens nous permettent d’y accéder, est la lumière. Mais la lumière est une onde électromagnétique, et nos yeux ne captent qu’une toute petite partie de ces rayonnements, celle dite pour cela visible. Notre peau nous permet de ressentir une partie des rayonnements infrarouges (chaleur). Nous restons insensibles à tout le reste du spectre : ondes radio, rayons ultraviolets, rayons gamma, rayons X (bien que certains aient un effet biologique : bronzage, induction de cancers…).

Les théories physiques récentes ont mis en évidence d’autres phénomènes intéressants : les neutrinos, qui sont des particules élémentaires sans charge électrique, sont produits dans les réactions nucléaires (plus précisément désintégrations béta) qui se produisent dans les étoiles.

La théorie de la Relativité Générale, théorie géométrique de la gravitation, explique que l’espace-temps est déformé par la présence des masses. Les planètes (par exemple) suivent simplement les déformations, comme un bobsleigh suit sa piste.

Nous sommes maintenant capables de capter toutes ces sources d’information :

• la lumière visible, qui nous donne les images habituelles. Remarquez qu’elle est émise majoritairement par des astres chauds, à des températures de l’ordre de celle qui règne à la surface du Soleil.
• l’infrarouge, qui est émis par des corps à température beaucoup plus basse, de l’ordre de celle de la Terre. Une image en infrarouge montre donc des astres beaucoup moins chauds.
•  les ondes radio millimétriques ; prolongement de l’infrarouge vers les énergies plus basses, elles permettent de détecter des corps encore plus froids.
•  les ondes radio plus longues ; elles permettent de détecter des objets par ailleurs très discrets, comme par exemple les nuages d’hydrogène qui peuplent les espaces interstellaires, et donnent naissance à de nouvelles étoiles.
• l’ultraviolet ; à l’opposé de ce que nous venons de voir, les ultraviolets sont plus énergétiques, et donc prodiuits par des objets plus chauds. Les phénomènes qui les produisent nécessitent des énergies plus élevées.
•  les rayons X ; encore plus énergétiques, les rayons X ne sont produits que par des phénomènes très violents, et caractérisent des objets possédant une source d’énergie supérieure à celle qui fait briller les étoiles.
• les rayons gamma ; ce sont les plus énergétiques des rayonnements electromagnétiques. Ils sont produits dans des circonstances assez exceptionnelles, lors de phases cataclysmiques de l’évolution des étoiles. Ils sont donc irremplaçables pour étudier cette évolution. Tout ce qui précède est de même nature électromagnétique, avec des niveaux d’énergie divers. Ce qui suit est profondément différent.
• flots de particules accélérées par divers mécanismes physiques : protons, électrons, produits par le vent solaire ou stellaire, rayons cosmiques.
• neutrinos ; particules de masse extrêmement faible, et électriquement neutres, qui n’interagissent presque pas avec la matière. Les neutrinos sont capables de traverser le Soleil de part en part comme s’il n’existait pas. Ces particules fantôme sont produites tranquillement dans le cœur des étoiles, et violemment lors de l’effondrement d’une étoile.
• ondes gravitationnelles ; ces ondes sont prédites par la Relativité Générale, exactement de la même manière que les équations de Maxwell pour l’électromagnétisme prédisent les ondes électromagnétiques. L’existence des ondes électromagnétiques, et l’invariance de la vitesse de la lumière qui lui est associée, ne peuvent plus être mises en doute. Aussi, les onde gravitationelles existent sans doute. Mais on ne les a jamais observées, car leur détections est extrêmement difficile.

Les messages des photons

Les renseignements que l’on peut obtenir des photons sont de 4 sortes :

• direction : imagerie ;
• énergie et fréquence : spectroscopie ;
• polarisation : polarimétrie ;
• comptage : photométrie.

Lorsqu’on ne considère que la direction dans laquelle les photons arrivent, on construit une image. C’est tout naturellement le cas dans le visible avec nos yeux, mais les instruments que nous fabriquons maintenant sont également capables de construire des images avec d’autres rayonnements :

• photographies infrarouge avec des pellicules spéciales (certaines sont disponibles dans le commerce );
• images radio, reconstruites en fausses couleurs à partir des ondes reçues par les radiotélescopes (la couleur correspond à un glissement en longueur d’onde) ;
• on réalise de même des images à partir des rayons X ou gamma observés par certains satellites.

Les neutrinos

Très difficiles à capturer, les neutrinos sont surveillés depuis quelques années par divers détecteurs de par le monde : dans le Dakota aux Etats Unis, au Gran Sasso en Italie, à Kamioka au Japon. Ces détecteurs ont à leur actif une formidable découverte : ils ont enregistré la bouffée de neutrinos produite par l’explosion de la supernova SN 1987 A, confirmant ainsi les modèles théoriques.

Un nouvel instrument, ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch), est en cours de construction au large de Toulon, par le laboratoire CPPM (Centre de Physique des Particules de Marseille) associé au LAM (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille), au COM (Centre d’Océanologie de Marseille), et à de nombreux autres laboratoires européens. Cet instrument doit détecter des neutrinos de haute énergie produits par les noyaux actifs de galaxie, les sursauts gamma, les microquasars.

Les ondes gravitationnelles

La gravitation est de très très loin la plus faible de toutes les forces de la Nature. Ce qui fait sa grande importance est sa propriété additive : les attractions produites par plusieurs sources additionnent leurs effets, et sa portée infinie. L’union faisant ainsi la force, à l’échelle de l’Univers, elle est la force dominante.

Expliquant le débordement d’énergie des quasars, dans des objets extrêmement massifs et compacts que sont les trous noirs, elle ne rayonne que très peu d’énergie dans les situations courantes. C’est ce qui fait la très grande difficulté de réalisation d’un détecteur d’ondes gravitationnelles. Le détecteur VIRGO est installé à Cascina, près de Pise en Italie. Il a été inauguré le 23 juillet 2003. On en attend la détection des ondes gravitationnelles émise lors d’événement cataclysmiques dans l’Univers : collision de deux étoiles à neutrons, ou de deux trous noirs massifs. Deux autres détecteurs sont en cours de développement aux Etats Unis, ils constituent le projet LIGO. Les trois détecteurs devront réunir leurs observations, afin de déterminer la direction des événements enregistrés. Ne connaissant rien aujourd’hui des ondes gravitationnelles, il n’est pas impossible qu’elles nous apportent des surprises extraordinaires en dehors des domaines prévus. On a toujours eu de telles surprises en inaugurant de nouveaux types de détecteurs…

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