Archives pour mars 2017

La mission Rosetta a passé deux ans en orbite autour de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, permettant d’observer et de suivre l’évolution de la surface sur les images de la caméra OSIRIS-NAC (voir note). De décembre 2014 à juin 2016, de nombreux changements ont été détectés en surface, localisés à certaines zones bien précises et liés aux processus d’activité cométaire. Dans leur grande majorité, ces changements modifient de façon marginale la surface de 67P, ce qui implique que le paysage observé aujourd’hui a été façonné plus tôt dans l’histoire de la comète, lorsque son orbite était différente et/ou qu’elle contenait plus de matériaux volatiles. Ces travaux ont été réalisés par une équipe internationale incluant des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS / Aix-Marseille Université) et du Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique (Observatoire de Paris / Université Paris Diderot). Olivier Groussin, chercheur au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, est 2ème auteur de cet article publié dans le revue Science le 21 mars 2017.

Les comètes, résidus de la période d’accrétion des planètes, contiennent des informations primordiales pour comprendre comment les planètes se sont formées et comment la vie a pu se développer sur Terre. Les comètes qui ont survécus depuis la formation du système solaire ont été affectées par de nombreux processus, dont en particulier leur activité, liée à la sublimation des glaces lorsque la comète se rapproche du soleil, qui altère les couches externes du noyau. Malheureusement, ces processus et leurs conséquences sont encore mal compris. Un des grands objectifs scientifiques de la mission Rosetta était donc d’étudier les processus d’évolution de 67P/Churyumov-Gerasimenko pour essayer de séparer l’inné (« le primordial ») de l’acquis (« l’évolutif ») et ainsi déterminer dans quelle mesure cette comète contient-elle encore des traces de la période d’accrétion ?

La caméra OSIRIS-NAC (voir note) de la sonde spatiale Rosetta a observé le noyau de la comète 67P pendant plus de 2 ans, avec une résolution spatiale meilleure que le mètre. Ce suivi temporel a permis de détecter de nombreux changements en surface, en comparant les images obtenues avant et après le passage au périhélie (Figure 1). Les changements sont de nature variées : érosion de falaises sur plusieurs mètres, développement de fractures préexistantes, mouvement de dunes, déplacement de blocs d’une taille supérieure à 20 m, ou encore transport de matière laissant apparaître de nouvelles structures morphologiques. Certains changements sont aussi transitoires : ils apparaissent lorsque la comète se rapproche du soleil, pour disparaître ensuite lorsqu’elle s’en éloigne, la surface retrouvant alors son état initial.

Les changements observés résultent principalement de la sublimation des glaces dans les couches externes du noyau, qui fragilise les falaises, permet le transport des matériaux non-consolidés d’une région à l’autre du noyau, ou encore est à l’origine des phénomènes éoliens (e.g. les dunes). Dans leur grande majorité les changements ont lieu lorsque la région concernée est à son maximum d’ensoleillement, et donc près du périhélie pour la plupart d’entre eux.

Les changements sont très localisés et concernent de petites zones couvrant, pour les plus grandes, quelques dizaines de milliers de mètres carrés (<0.02% de la surface). Leur nature extrêmement localisée, parfois au milieu d’un terrain en apparence uniforme, révèle des inhomogénéités de composition et/ou de propriétés physiques sous la surface à l’échelle de la dizaine de mètre.

Ces changements n’ont pas modifiés de façon significative l’apparence de la comète. Par exemple, l’érosion maximale observée sur une falaise est de 12 m, sur une longueur de 50 m, mais pour la très grande majorité des falaises l’érosion est trop faible pour être détectée visuellement, probablement inférieure au mètre. Le paysage observé aujourd’hui sur 67P ne résulte donc pas de ses derniers passages près du Soleil. Il a été façonné plus tôt dans l’histoire de la comète, lorsque son orbite était différente et/ou qu’elle contenait plus de matériaux volatiles.

En poussant les plus grands télescopes à leurs limites, une équipe internationale d’astronomes, impliquant des chercheurs français du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS/Université Aix-Marseille) et de l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie de Toulouse (CNRS/Université de Toulouse Paul Sabatier) a découvert une population de petites galaxies naissantes à une distance de plus de 11 milliards d’années-lumière, qui nous apporte des informations précieuses sur les premiers stades de formation des galaxies. Bien que rares, ces galaxies révèlent avec des détails sans précédent les conditions physiques extrêmes qui ont existé lorsque les premières galaxies se sont formées juste après le Big Bang. L’article a été publié dans Nature Astronomy le 2 mars 2017.

La naissance et les premiers instants de l’évolution des galaxies – comme notre Voie Lactée – dans les quelques centaines de millions d’années après le Big Bang est encore largement inaccessible aux moyens d’observation actuels. Ces dernières décennies, des galaxies ont pu être observées jusqu’à l’époque dite des « Ages Sombres », dans les 700 premiers millions d’années, lorsque l’univers était rempli d’un nuage d’hydrogène dense. Ces premières galaxies sont très faibles et enfouies dans un brouillard de gaz. Il est de ce fait très difficile de les observer à partir des observatoires actuels, et leur naissance et premières étapes d’assemblage n’ont jamais été observées en détail.

Pour identifier et étudier les propriétés de galaxies nouvellement formées, une équipe internationale a suivi une approche différente présentée dans une nouvelle étude publiée dans le numéro de mars de la revue Nature Astronomy. De fait, de nouvelles galaxies continuent de se former bien après les « Ages Sombres », et cette nouvelle étude a permis d’identifier des galaxies naissantes observées plus tard dans la vie de l’univers, environ un milliard d’années après les « Ages Sombres », quand l’univers n’avait cependant que 5% de son âge actuel. Etant malgré tout un peu plus proches de nous et sorties du brouillard dans lequel elles baignaient précédemment, ces galaxies sont plus faciles à étudier en détail ce qui a permis à cette équipe d’observer toutes les propriétés des galaxies dans leurs premiers instants.

Cette découverte a nécessité un important effort d’observation, coordonné dans le relevé VIMOS Ultra-Deep Survey (VUDS), le plus important relevé de galaxies à ces distances conduit avec le Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire Européen Austral au Chili. C’est notamment grâce à la spectroscopie très sensible obtenue avec le spectrographe VIMOS au VLT, complétée par des images du télescope spatial Hubble (NASA-ESA), que l’équipe a pu étudier les propriétés de ces « enfants galaxies » avec des détails sans précédent.

« Pour la première fois nous pouvons observer une population de galaxies extrêmement jeunes, présentant toutes les propriétés attendues des premières galaxies beaucoup plus tôt dans l’univers. Nous pouvons les observer avec des détails sans équivalent », affirme Ricardo Amorin de l’Observatoire astronomique de Rome (INAF), et travaillant maintenant à l’université de Cambridge (UK).

Les spectres obtenus avec VIMOS mettent en évidence que ces galaxies sont très riches en gaz ionisé, « avec très peu de poussières et d’éléments dit métalliques, comme le Carbone et l’Oxygène, qui sont produits par les premières étoiles massives dans une galaxie et dispersés très tôt lorsque ces étoiles meurent », précise Enrique Perez-Montero de l’Institut d’Astrophysique d’Andalousie, co-auteur de l’article. Ces étoiles très chaudes illuminent (ionisent) le gaz environnant avant de mourir en supernovæ dans une gigantesque explosion produisant des écoulements de gaz à grande échelle qui entrainent le gaz et les éléments métalliques. Les auteurs proposent que ce mécanisme pourrait expliquer comment leurs analogues primitifs ont pollué l’univers avec ces éléments métalliques et ont nettoyé leur environnement de gaz, contribuant à la fin des « Ages Sombres ».

Adriano Fontana de l’Observatoire de Rome (INAF), et co-auteur de l’étude, explique : « nous observons ces galaxies lors de ce qui semble être leur premier épisode de formation massive d’étoiles, ce qui les rend très lumineuses ». Olivier Le Fèvre, du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université et CNRS) et responsable scientifique du programme VUDS, ajoute : « nous avons pu trouver ces galaxies grâce aux observations très profondes d’un échantillon sans précédent de plus de deux mille galaxies. Les images du télescope spatial Hubble montrent des galaxies environ 30 fois plus petites et 100 fois moins massives que notre Voie Lactée, avec des formes compactes et irrégulières se présentant quelques fois en paires de galaxies en coalescence ».

Les galaxies découvertes dans cette étude éclairent sous un nouvel angle le processus encore largement inconnu de la formation des premières galaxies. Les méthodes mises en œuvre préparent à une meilleure interprétation des données qui seront obtenues avec le futur télescope spatial James Webb (JWST, NASA-ESA-CSA) qui sera lancé de Kourou fin 2018. Une époque excitante et potentiellement révolutionnaire de la cosmologie observationnelle et de l’étude de la formation des galaxies vient de commencer.