lundi 20 octobre 2014

IRIS, un Œil acéré sur la Surface du Soleil

Le Soleil est l'objet le plus imposant de notre système solaire, il  fournit la chaleur et la lumière qui permettent la vie. C'est une étoile banale, d'âge moyen, qui produit de l'énergie par fusion nucléaire de ses atomes d'hydrogène en atomes d'hélium. Mais le Soleil n'est pas qu'une simple boule de gaz rayonnante, il possède une atmosphère qui est très changeante et complexe.




Explosion sur la photosphère imagée
par IRIS le 9 mai 2014 (NASA/IRIS)
C'est dans l'optique d'étudier plus en détails l'interface entre la surface du Soleil (appelée la photosphère) et sa couronne que la sonde IRIS a été lancée par la NASA en juin 2013. Cette interface est le lieu où le plasma voit ses caractéristiques changer brutalement, passant d'opaque à transparent et où l'on passe d'un milieu dominé par le gaz (phénomènes hydrodynamiques) à un milieu dominé par des champs magnétiques (phénomènes magnétohydrodynamiques), .
Les premiers résultats d'IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph) viennent d'être publiés dans Science et font même l'objet de la couverture et d'un cahier spécial.
Ces premiers résultats très riches montrent une région tout sauf calme : des champs magnétiques tordus côtoient des sortes de petites explosions apparaissant à intervalles réguliers, des particules accélérées produisent un échauffement au sein de boucles de matière coronale, et des petits jets et boucles de plasma apparaissent à des températures plus froides... 
On peut par exemple mentionner la découverte de l'existence de boucles magnétiques de très courte durée de vie, la mise en évidence de zones de plasma ayant des vitesses opposées mais parallèles et adjacentes, ou encore l'observation pour la première fois de petits jets à très haute vitesse apparaissant fréquemment dans les trous coronaux et liés aux structures de convection des couches sous-jacentes, et qui sont suspectés de jouer un rôle important dans la production du vent solaire.

Toutes ces observations fournissent de nouvelles données très utiles pour bien comprendre comment se créent à la fois l'atmosphère solaire et le vent solaire. Le problème de l'échauffement coronal est notamment une énigme bien connue en astrophysique : lorsque l'on s'éloigne, vers l'extérieur, de la surface du Soleil, qui rappelons-le a une température de 6000 degrés, alors que l'on peut s'attendre logiquement à voir la température décroître, et bien au contraire, la température augmente jusqu'à plusieurs millions de degrés... Ce phénomène commence maintenant à être mieux compris, notamment grâce aux observations d'IRIS, qui montrent le rôle primordial que jouent les champs magnétiques dans ce processus.
Vue d'artiste de IRIS (NASA)

Ce sont aussi les champs magnétiques présents dans la zone d'interface de la surface du Soleil qui semblent être responsables des violentes éruptions qui peuvent libérer une énergie équivalente à plusieurs dizaines de millions de bombes nucléaires... IRIS permet d'étudier ces transferts d'énergie à travers l'atmosphère solaire.
Ce qui se déroule dans cette zone d'interface entre la photosphère et la couronne solaire est crucial à connaître car cela impacte directement l'héliosphère, cette zone d'influence du Soleil dans laquelle les planètes se meuvent. 

Pour effectuer ces délicates observations, IRIS est munie d'un télescope relativement modeste de 20 cm (plus petit que mon Dobson !), qui observe le Soleil dans l'ultra-violet proche et lointain, des longueurs d'ondes inaccessibles sur Terre du fait de leur absorption par l'atmosphère. Ce télescope est en fait un spectrographe, qui permet non pas de faire de simples images, mais surtout de décomposer le spectre lumineux pour en extraire toutes les informations précieuses fournissant des éléments clés sur les processus physiques en présence. Et ce n'est que récemment que des avancées informatiques dans le domaine de la magnétohydrodynamique radiative en 3D ont permis de pouvoir exploiter complètement les spectres acquis par IRIS.

Ces premiers résultats montrent vraiment la puissance de la spectroscopie pour comprendre les diverses sources d'énergie du Soleil, qui sont à l'origine de phénomènes qui peuvent nous toucher directement, comme le vent solaire (pour la santé de nos astronautes), les grosses éruptions (pour la santé de nos satellites) ou les éjections de masse coronale (pour la santé de nos centrales électriques et de nos économies).


Sources :
Looking closer at the Sun
Louise K. Harra
Science Vol. 346 no. 6207 pp. 305-306 (17 October 2014)

V. Hansteen et al., Science 346, 1255757 (17 October 2014)
B. De Pontieu et al., Science 346, 1255732 (17 October 2014)
H. Peter et al., Science 346, 1255726 (17 October 2014)
P. Testa et al., Science 346, 1255724 (17 October 2014)
H. Tian et al., Science 346, 1255711 (17 October 2014)

samedi 18 octobre 2014

Possibles traces d'Axions en provenance du Soleil

Une équipe d'astronomes vient peut-être de mettre en évidence un signal indirect de l'existence de matière noire sous forme d'axions, et oui, encore eux... mais en provenance du Soleil cette fois... C'est en observant des rayons X dans la proximité de la Terre que cette équipe en est venu à cette conclusion.


Comme nous en avons déjà parlé ici encore très récemment, les axions, particules pour l'instant hypothétiques, peuvent, du fait de leur masse (certes très faible) et de leur quantité potentielle dans l'Univers, représenter une grande majorité de la matière noire. Ces axions auraient des propriétés physiques peu communes, comme celle de se transformer en photons en présence de champs magnétiques.

Le Soleil (SDO/NASA)
Le leader de cette équipe, George Fraser, est malheureusement décédé deux jours avant le soumission de leur article relatant ce qui pourrait être considéré comme la première pierre d'une découverte dans quelques années, aux Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, à paraître le 20 octobre. Un article de 67 pages contenant 39 figures!

Des axions pourraient être produits au cœur du Soleil, traverser facilement les couches internes de notre étoile, puis arriver à la périphérie de la Terre, où, par interaction avec le champ magnétique terrestre, elle se transformeraient en photons (gamme des rayons X). C'est en effet un excès de rayons X, complètement inexplicable qu'ont observé Fraser et ses collègues grâce au télescope spatial XMM-Newton. Inexplicable sauf à considérer la présence d'un flux d'axions en provenance du Soleil, qui permet de mettre une origine à ces photons X.
Les observations montrent que quand XMM-Newton passe à travers le champ magnétique terrestre, du côté exposé au Soleil, il mesure un flux de rayons X plus intense que lorsqu'il se trouve plus éloigné du champ magnétique. Or, en considérant toutes les sources possibles et imaginables connues de rayons X, ce flux atteignant XMM-Newton devrait être le même partout... Les chercheurs ont bien entendu évalué, selon eux, toutes les sources de rayons X potentielles, y compris des phénomènes un peu ésotériques comme des interactions du vent solaire avec le champ magnétique terrestre. Mais rien d'autre que l'hypothèse des axions ne permet d'expliquer correctement les observations.
Vue schématique du phénomène propose (University of Leicester)

Il y a un élément quelque peu surprenant toutefois, c'est que XMM-Newton détecte des rayons X même en étant dans une direction orthogonale à celle du Soleil, ce que les auteurs expliquent en montrant que les axions peuvent subir des diffusions avant de muter en photons. 
Mais des astrophysiciens, comme Peter Coles de l'université du Sussex, sont tout de même sceptiques face à ces observations, en estimant que l'excès de rayons X observé pourrait être dû à des effets inconnus de physique des plasmas. Il se trouve aussi que, d'après Garcia Irastorza, physicien de l'équipe du CERN Axion Solar Telescope, une autre expérience dédiée à la recherche d'axions produits par le Soleil, même si le signal est vraiment intriguant, l'explication avancée par les anglais impliquerait des propriétés physiques pour l'axion qui sont assez différentes de celles théorisées depuis plusieurs décennies.

Quoiqu'il en soit, il est encore trop tôt pour parler de découverte, ce que les astrophysiciens britanniques ne clament d'ailleurs pas. D'autres observations par d'autres types d'expériences sont nécessaires pour creuser ces observations. Et un autre télescope spatial pouvant détecter des rayons X, Chandra X-Ray Observatory, serait à même de faire le même type de mesures que XMM-Newton, avec quelques années d'analyses à prévoir...


Source : 
Potential solar axion signatures in X-ray observations with the XMM-Newton observatory
G. W. Fraser et al.
à paraître dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (octobre 2014)


jeudi 16 octobre 2014

Ces Galaxies qui ne fabriquent pas d'Etoiles

Les étoiles ne naissent ni dans les choux ni dans les roses, mais dans les galaxies. Ces naissances ont lieu par effondrement gravitationnel de nuages de gaz, essentiellement constitués d'hydrogène (atomique ou moléculaire) et d'hélium. Mais ces nuages comportent généralement aussi quelques traces de poussières faites d'atomes plus gros que l'hélium, que les astronomes ont la sale habitude d'appeler des "métaux". Oui, pour les astrophysiciens, l'oxygène est un métal, allez savoir...



La poussière dans ces nuages de gaz joue un rôle fondamental pour que les étoiles puissent y naître : elle empêche de trop grandes quantités de lumière des étoiles environnantes de pénétrer au cœur du nuage gazeux, ce qui permet alors aux molécules du nuage de pouvoir rayonner leur chaleur vers l'extérieur et se refroidir et donc diminuer la pression gazeuse... jusqu'au point où la force de gravitation devient plus grande que cette pression et provoque l'effondrement qui va finalement allumer l'étoile.
La galaxie naine irrégulière Sextans A
(ESA/NASA/JPL-Caltech/NRAO)

De telles formations d'étoiles arrivent souvent dans les grosses galaxies comme la nôtre. En revanche, on ne sait pas encore très bien comment ça se passe dans les toutes petites galaxies. Il se trouve que ces petites galaxies montrent une abondance très faible en "métaux" dans leurs nuages de gaz, ce qui indique que l'absorption de la lumière y est faible, laissant une pression trop grande pour un collapse gravitationnel. La formation d'étoile y est rendue difficile.
Ce qui fait la différence entre une grosse galaxie comme notre Voie Lactée et de petites galaxies comme Sextans A et ESO 146-G14, objets d'une étude parue cette semaine dans Nature, est leur vitesse de rotation. Notre galaxie a une vitesse de rotation d'environ 200 km/s. Cette grande vitesse de rotation fait que les atomes lourds produits d'explosions stellaires antérieures, se retrouvent piégés dans le milieu interstellaire, et finissent par constituer quelques pourcents de la masse des nuages de gaz de la galaxie. 
Mais les petites galaxies comme Sextans A et ESO 146-G14 tournent beaucoup moins vite : respectivement 23 km/s et 70 km/s. Il faut préciser qu'il existe un lien étroit entre la masse d'une galaxie et sa vitesse de rotation, ces deux petites galaxies sont des minuscules petites choses : 0,2% et 13% de la masse de la Voie Lactée.

Les auteurs de cette étude, Yong Shi et al. montrent que l'abondance en métaux de ces naines est 10 fois plus faible que celle que nous connaissons chez nous. La gravité dans leurs nuages de gaz est en fait si faible qu'elles ne devraient presque pas avoir d'étoiles jeunes. Mais elles en ont quand même quelques unes, et on peut les observer...
Pour déterminer la masse exacte des poussières et le taux de formation d'étoiles dans ces deux petites galaxies, les astrophysiciens chinois et américains menés par Yong Shi ont mobilisé pas moins de trois télescopes spatiaux : Herschel et Spitzer pour observer la poussière en infrarouge, et Galex, pour observer les (rares) étoiles naissantes dans l'ultra-violet.
Le résultat étonnant qu'ils obtiennent est qu'il y a beaucoup plus de poussières que prévu, mais aussi beaucoup plus de gaz, et ce gaz est majoritairement moléculaire (deux atomes d'hydrogène accrochés ensemble). Mais si l'efficacité de formation d'étoiles était similaire à celle de la Voie Lactée, avec tout ce gaz, il devrait y avoir un taux de formation d'étoiles 10 fois plus important que ce qui est observé ici. Une énigme aujourd'hui sans réponse.
Heureusement, ce champ de recherche sur les nuages de gaz moléculaire et les poussières entre actuellement dans une phase très intéressante avec le démarrage du grand radiotélescope interférométrique ALMA (Atacama Large Millimeter Array), installé dans les Andes chiliennes. L'un des objectifs de ALMA est justement d'observer les faibles rayonnements provenant de molécules comme le monoxyde de carbone, très présent dans les cocons d'étoiles.

Ces minuscules galaxies d'aujourd'hui ont certaines ressemblances avec les toutes premières galaxies qui existaient il y a 13 milliards d'années et qui ont pu devenir les belles galaxies comme la nôtre. Elles sont donc d'autant plus importantes à bien connaître.

source : 

Inefficient star formation in extremely metal poor galaxies
Yong Shi et al.
Nature 514, 335–338 (16 October 2014)

mercredi 15 octobre 2014

Trous Noirs et Coeurs Brisés

Cette chanson est la seule que je connaisse qui parle à la fois de trous noirs, de matière noire, d'expansion de l'univers, de gravitation, d'espace-temps et de prix Nobel... Le groupe s'appelle Drugstore, l'album Anatomy



Blackholes & Brokenhearts

I think I know what blackholes really are
A place where everybody falls apart
And I think I know dark matter intimately
It's just the stuff that's really hard to see

And as the universe's expanding
All around us, you and me
They say the end is coming
But I have to disagree
For in the end
It will stop then start again

I think I’ve cracked the meaning of this life
Just thank fuck we're all stuck in space and time
And I think there ain't no major masterplan
And life is just a pretty accident

And as the universe expanding..

I think the only problem I have left
Is gravity, oh what the hell is that?!
And I think it's sad when love affairs go wrong
But that's the topic of my other songs

And as the universe's expanding..

I think I know what blackholes really are
Honestly.
I think I deserve a Nobel prize...

dimanche 12 octobre 2014

L'Anomalie des Rayons Gamma des AGN, un Signe de l'Existence des Axions ?

Les noyaux actifs de galaxies (AGN), dont l'activité est engendrée par la présence d'un trou noir supermassif, ont la particularité de produire des jets de matière et de rayonnement. Ce rayonnement qui nous parvient se trouve sous forme de rayons gamma ultra énergétiques. Mais il existe une anomalie concernant ce rayonnement gamma dans la plupart des AGN...




La galaxie active M87 et son jet de particules
(HST/NASA/ESA)
L'intensité des flux de gamma ultra-énergétiques, tels que reconstruite en prenant en compte tout ce qui se passe entre leur émission à plusieurs milliards d'années-lumière d'ici et leur réception (indirecte) dans nos détecteurs à lumière Cherenkov, est beaucoup trop importante par rapport à ce que nos modèles théoriques des galaxies actives prédisent sur leur production.

L'élément le plus impactant produisant une atténuation des rayons gamma très énergétiques sur des très longues distances est ce qu'on appelle la lumière de fond extragalactique (ou EBL en anglais, pour extragalactic background light). Cette lumière de fond n'est autre que toute la lumière des étoiles des très nombreuses galaxies, qui se propage dans toutes les directions et qui baigne ainsi tout l'espace entre les galaxies, le milieu intergalactique. Cette lumière se retrouve à de très diverses longueurs d'ondes, allant de l'infra-rouge lointain à l'ultra-violet dur.
Et il se trouve que les photons gamma très énergétiques en provenance des jets des galaxies actives peuvent interagir avec cette lumière diffuse. Ils interagissent en produisant des annihilations avec les photons de l'EBL, surtout ceux situés dans l'infra-rouge. Plus l'énergie des photons gamma est élevée, plus ils se retrouvent absorbés par la lumière de fond extragalactique. 
Pour évaluer le flux de rayons gamma réellement produits par les AGN, on doit donc prendre en considération cet effet d'absorption par l'EBL dans le calcul. Il existe plusieurs modèles décrivant l'EBL et ses interactions avec les rayons gamma, et tous aujourd'hui tendent à montrer que les flux de rayons gamma en provenance des galaxies actives, une fois corrigés de cette interaction, sont incompatibles avec les processus physiques connus devant régir la production de rayons gamma au niveau des jets des galaxies actives. 

Il y a donc trois possibilités : soit notre compréhension de la production de photons gamma ultra-énergétique dans les AGN est partielle ou erronée, soit nos modèles décrivant la lumière de fond extragalactique sont incomplets, ou bien enfin, il existe un autre phénomène qui agit sur les photons gamma en contrebalançant l'absorption par l'EBL.
Les deux premières possibilités étant pour le moment au stade de l'impasse, des physiciens se penchent aujourd'hui sur la troisième. Il se trouve qu'il existe théoriquement une solution permettant justement de contrebalancer cet effet d'absorption par l'EBL. Cette solution s'appelle les axions

Principe de l'oscillation photons gamma / axion entre un AGN et la Terre
Les axions sont des particules tout à fait hypothétiques aujourd'hui, qui ont été inventées dans les années 1970 pour expliquer certaines anomalies existant au niveau des composants des noyaux d'atomes (les quarks composant protons et neutrons). Et ces toutes petites particules (de très faible masse a priori) ont la capacité de se transformer en photons (et vice-versa) sous l'action d'un champ magnétique.
Si l'axion est bien réel, il se pourrait alors que les rayons gamma ultra-énergétique, au cours de leur voyage intergalactique, en rencontrant des champs magnétiques importants au voisinage des galaxies, subissent une oscillation (transformation) en axion durant un certaine durée, puis oscillent à nouveau en redevenant photon et ainsi de suite jusqu'à nous parvenir sur Terre sous forme de rayons gamma que nous détectons (ou bien d'axions, que nous ne détectons pas encore). Bien évidemment, durant leur trajet intergalactique sous forme d'axions, les photons gamma initiaux ne subissent plus l'atténuation par la lumière de fond diffuse, ce qui produit finalement un flux plus intense que prévu si on ne considérait pas cette oscillation photon-axion.
Paula Chadwick
(Durham University)
Dans un article paru le 9 octobre dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, les physiciens britanniques Jonathan Harris et Paula Chadwick, de l'université de Durham, proposent une telle solution sur la base solide du calcul des oscillations photons gamma-axions au cours du trajet intergalactique mais aussi à l’intérieur même de la source de production des photons gamma, le jet de la galaxie active, là où le champ magnétique est très intense. Ils posent comme hypothèse une masse d'axion de 10^-8 eV et une constante de couplage axion-photon de  10^-11 GeV^-1.

Ils concluent en évaluant quelle serait la probabilité de détecter une signature robuste pour un tel phénomène avec nos instruments actuels ou en projet comme le futur grand détecteur CTA (Cherenkov Telescope Array, voir la vidéo ci-dessous). D'après cette étude, une signature pourrait être observée en peu de temps avec le CTA en scrutant une galaxie active dénommée PKS 2155-304 qui s'avère la meilleure candidate.

L'existence de l'axion va évidemment bien au delà de la simple explication de l'anomalie du flux de rayons gamma des noyaux de galaxies actives. C'est aussi une piste très sérieuse pour l'explication de la masse manquante (ou matière noire), alternative à celle des particules supersymétriques (WIMPs ou neutralinos). Malgré une masse très petite, bien plus faible que celle des neutrinos et a fortiori à celle des WIMPs, leur nombre potentiel pourrait suffire à expliquer une bonne partie de la matière noire. 
Une découverte indirecte de signes du mécanisme d'oscillation entre photon gamma et axion par l'observation des AGN serait fondamentale. Le CTA, quant à lui, pourrait entrer en fonction au cours des vingt prochaines années...

Vues d'artistes du Cherenkov Telescope Array (G. Perez, SMM, IAC)


Source : 
Photon-axion mixing within the jets of active galactic nuclei and prospects for detection
J. Harris and P.M. Chadwick
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 10 (2014) 018

mercredi 8 octobre 2014

Découverte d'un Pulsar Monstrueux

"Waouh, qu'est ce que c'est que ce truc ?". C'est certainement ce que se sont dit les astrophysiciens exploitant le télescope spatial NuSTAR, spécialisé dans la détection des rayons X. Ce truc s'avère être un pulsar, mais extrêmement puissant, pour ne pas dire extrêmement extrême... C'est bien une étoile à neutron en rotation qui pulse des rayonnements, mais elle produit autant d'énergie qu'un très gros trou noir, autant d'énergie que 10 millions de soleils, excusez du peu.


Vue d'artiste d'un pulsar accrétant de la matière (Nik Spencer/Nature)
Bon reprenons. Nous avons déjà parlé ici des ULX (Ultra Luminous X-Ray Sources), jusqu'à présent, on pensait que ces sources de rayons X très lumineuses étaient propulsées par des trous noirs. Et bien se que montrent Matteo Bachetti et ses collègues dans l'étude qu'ils publient cette semaine dans le journal Nature est qu'il n'en est rien. Il peut s'agir de "simples" pulsars, comme celui qu'ils ont pu observé dans la galaxie M82, situé à 12 millions d'années-lumière.

Les ULX sont dues à des objets denses accrétant de la matière d'un compagnon. Le fait qu'une étoile à neutron produise une accrétion similaire à celle d'un trou noir est vraiment nouveau, d'autant que les ULX étaient suspectées être le fruit de trous noirs plutôt gros, du type de taille intermédiaire (entre trou noir stellaire et trou noir supermassif). 

C'est par hasard que l'équipe internationale d'astronomes a mis le doigt sur cette source nommée M82 X-2. Ils étaient en train d'observer une supernova récente quand ils ont détecté une pulsation dans l'ULX M82-X2. Mais les trous noirs ne montrent pas de pulsations... "Qu'est ce que c'est que ce truc ?". Ils s'y sont donc penché de plus près et ont alors démontré la nature de pulsar derrière cette source ultra-lumineuse, grâce à des observations complémentaires effectuées avec les télescopes spatiaux Chandra X-Ray Observatory et Swift.
La période de pulsation mesurée par NuSTAR est de 1,37 secondes, c'est un pulsar plutôt lent. L'énergie émise, équivalente à 10 millions de soleils est 100 fois plus grande que la limite théorique pour ce type d'objets. Pas mal pour un objet de la masse du soleil et grand comme une petite montagne.
C'est clair, on ne comprend pas encore comment une telle émission d'énergie est possible, les auteurs de l'étude proposent un mécanisme d'accrétion "classique" mais avec un taux absolument énorme, 10 fois plus grand que le maximum connu à ce jour, comme si l'étoile à neutron est en train d'arracher toute la matière de son étoile compagne et la transforme instantanément en rayonnement via un échauffement dans son disque d'accrétion avec une efficacité hors du commun.
Il se pourrait maintenant que M82-X2 ne soit pas la seule ULX à pulser et donc à cacher un pulsar montrueux. L'équipe de Matteo Bachetti annonce dès maintenant qu'elle va étudier d'autres ULX, à nouveau avec le trio gagnant de télescopes spatiaux NuSTAR, Chandra et Swift. 

Cette "petite" découverte peut en tous cas mener à d'importantes conséquences, car elle remet en cause la physique de l'accrétion, et remet les théoriciens devant leur tableau, elle peut également participer à la compréhension du phénomène de grossissement rapide des trous noirs dans l'Univers jeune.


Source : 
An ultraluminous X-ray source powered by an accreting neutron star
M. Bachetti et al.
Nature 514, 202–204 (09 October 2014)