Une supernova dans les Chiens de Chasse

Dans la nuit du 31 mai, je suppose que bon nombre de télescopes et lunettes astronomiques d'amateurs étaient pointées vers l'un des plus beaux objets du ciel profond, à savoir la galaxie des Chiens de Chasse, alias le tourbillon, alias M51. Combien d'astronomes amateurs ont noté qu'il y avait une étoile en trop ? Sans doute très peu... La réponse est : au moins quatre, car c'est le nombre de co-découvreurs de la supernova 2011dh, quatre co-découvreurs amateurs, plus rapides que tous les systèmes professionnels de surveillance automatique du ciel.

La supernova a été confirmée peu de temps après par les observatoires professionnels qui ont pu réaliser des spectres de l'étoiles. Ceux-ci ont révélé la présence d'hydrogène, caractéristique d'une supernova de type II et une dominance de l'hélium sur l'hydrogène signature d'un type IIb. L'étoile qui a explosé était donc relativement massive (plus de 8 masses solaires) et l'explosion a coïncidé avec l'effondrement gravitationnel du coeur de fer formé par la fusion thermonucléaire des éléments plus légers. C'est au cours de l'explosion de ce genre d'étoiles que des éléments lourds sont synthétisés puis expulsés dans l'espace.

Personnellement j'avais fait une image de la galaxie M51 au mois de mars 2011:

J'ai eu l'occasion d'en refaire une samedi dernier :

Arrivez vous à pointer la supernova ? Pas évident n'est-ce pas ? L'animation ci-dessous, qui alterne l'affichage des deux images alignées l'une par rapport à l'autre, permet de bien voir cette étoile qui s'allume à 31 millions d'années-lumière de la Terre.

T2K

J'ai déjà parlé des neutrinos il y a quelques temps (voir ici et là). Les neutrinos sont donc des particules élémentaires dotées d'une très faible masse et dépourvues de charge électriques. Ils interagissent si peu avec la matière qu'ils peuvent traverser la Terre de part en part sans en être perturbés. Dans le modèle standard de la physique des particules, les neutrinos existent sous trois formes différentes appelées saveurs, chacune associée à une particule chargée - les électrons, les muons et les taus - l'ensemble formant la famille des leptons. Les neutrinos peuvent donc être du genre électronique, muonique ou tauique. Un neutrino électronique interagissant avec la matière par l'intermédiaire du processus physique appelé courant chargé va produire un électron, un neutrino muonique produira un muon et un neutrino tauique … un tau !

En 1998, les résultats de l'expérience super-Kamiokande ont confirmé la possibilité pour les neutrinos de changer de saveur au cours de leur trajet. Ce phénomène étrange, possible uniquement dans le cadre de la mécanique quantique est nommé : oscillation. Dans le but de simplifier et moyennant quelques accrocs à la rigueur scientifique, on peut dire que la probabilité d'oscillation d'une saveur de neutrino vers une autre dépend du rapport L/E, c'est-à-dire de la distance de vol du neutrino divisée par son énergie, de la différence de masse au carré des neutrinos mis en jeu et d'angles caractéristiques du mélange entre les différents neutrinos.

Jusqu'à récemment le phénomène d'oscillation n'avait été mis en évidence qu'en constatant la disparation de neutrinos d'une saveur donnée et d'énergie connue, après une certaine distance de vol. Au printemps 2010, l'expérience OPERA  a observé l'apparition probable d'un unique neutrino de type tau dans un faisceau de neutrinos de type muon produit au CERN à 730 km du détecteur et traversant la croute terrestre pour resurgir dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie.

Il ya quelques jours, l'expérience T2K (raccourci pour Tokai to Kamiokande) a annoncé l'observation de 6 neutrinos électroniques dans un faisceau de neutrinos muoniques ayant parcouru 295 km entre l'accélérateur situé à Tokaï et le détecteur géant : super-Kamiokande. Les modélisations prédisent la détection de 1.5 neutrinos électroniques en l'absence d'oscillation ; la détection de 6 neutrinos est donc une indication forte pour l'existence d'une oscillation de la saveur muonique vers la saveur électronique, mais la signification statistique du résultat n'est pas encore suffisante pour annoncer une observation sans ambiguïté du phénomène.

Les physicien sont donc tenus en haleine en attendant un résultat portant sur une plus grande statistique, malheureusement l'accélérateur du complexe J-PARC à Tokaï qui produit le faisceau de neutrinos muoniques a subit des dommages lors du tremblement de terre de mars 2011 et ne pourra pas être remis en service avant la fin de l'année.

Avec OPERA et surtout T2K, la physique des neutrinos passe un cap important. L'enjeu est de taille, puisque dans ce mécanisme de mélange entre neutrinos, se cache peut-être l'explication de l'origine de l'asymétrie entre la matière et l'antimatière dans l'Univers, mais il faudra encore beaucoup de temps, d'énergie et d'astuce pour arriver à démêler l'écheveau complet de la physique des neutrinos.

Matière noire - Deuxième

Dans un article récent, je décrivais comment certaines expériences terrées au fond de cavernes souterraines traquent d'hypothétiques particules de matière noire. Ainsi les détecteurs EDELWEISS (Laboratoire Souterrain de Modane en France) et CDMS (Soudan Underground Laboratory aux USA) tentent de mesurer simultanément  les signaux d'ionisation et de chaleur résultant du "choc" élastique de particules de matière noire nommés WIMPS (pour Weakly Interacting Massive Particles) sur des noyaux de germanium. Jusqu'à présent ces techniques de détection n'ont pas permis de mettre en évidence un signal concluant.

Très récemment la collaboration XENON100 (Laboratoire Souterrain du Gran Sasso en Italie) a annoncé ses tout premiers résultats après 100 jours de fonctionnement du détecteur ; résultats négatifs également - aucun signal de matière noire ! XENON100 est une petite merveille d'ingéniosité scientifique qui utilise une centaine de kilogramme de xénon liquide à la fois comme cible pour les WIMPS et comme milieu détecteur. Le xénon présente la particularité d'émettre une lumière de scintillation lorsqu'il est traversé par des particules chargées et de se prêter à la mise en œuvre d'une méthode de mesure de l'ionisation extrêmement précise appelée Projection Temporelle ; celle-ci permet de reconstruire en trois dimensions les traces des électrons d'ionisation. La combinaison de ces techniques - ionisation et scintillation - permet de réduire le bruit de fond de manière drastique et d'obtenir l'identification d'un éventuel signal de manière très propre. XENON100 est le premier élément d'un ensemble plus complexe qui permettra à terme d'atteindre une tonne de milieu détecteur. Avec cette masse et si le bruit de fond est bien maitrisé, cette expérience pourrait bien donner un résultat décisif dans les prochaines années, soit en détectant quelques WIMPS, soit en ne détectant rien du tout, ce qui mettrait à mal les théories sur la matière noire.

Parmi toutes les expériences consacrées à la recherche des WIMPS, l'une d'entre elle obtient un très beau résultat qui à toutes les caractéristiques d'un signal de matière noire. Il s'agit de l'expérience DAMA (DArk MAtter). L'approche est un peu différente de ce qui a été présenté précédemment, DAMA utilise 250 kg de cristaux d'iodure de sodium (NaI) ultra purs. L'iodure de sodium a la propriété d'émettre de la lumière par un mécanisme de scintillation lorsqu'il est traversé par des particules chargées (comme le xénon liquide dans XENON100), la quantité de lumière émise étant proportionnelle à l'énergie déposée dans les cristaux. 

Les autres expériences se basent au moins sur deux signaux complémentaires et indépendants afin de réduire le bruit de fond. DAMA ne disposant que de la mesure de la lumière de scintillation il faut donc trouver une autre façon de caractériser la matière noire. 

Source :
http://www.hep.shef.ac.uk/research/dm/intro.php

L'astuce consiste à utiliser le fait que le système solaire tourne dans la galaxie et passe donc au travers du halo de matière noire qui est supposé baigner la galaxie. Comme illustré par la figure ci-contre, la Terre tournant, elle-même autour du Soleil  va donc sentir un "vent relatif" de matière noire dont la vitesse va dépendre de la période de l'année. En hiver la Terre se déplace en sens inverse du mouvement du Soleil dans la galaxie, alors qu'à la fin du printemps sa vitesse s'ajoute à celle du Soleil. Si la matière noire existe, on s'attend donc à ce que les WIMPS frappent les détecteurs avec une vitesse plus importante juste avant l'été que durant hiver, le signal d'ionisation détecté devrait donc être modulé suivant la période de l'année avec un maximum de signal autour du 2 juin. DAMA a pu accumuler des données sur 13 cycles solaires et, comme illustré par le graphique ci-dessous, voit clairement une modulation du signal parfaitement compatible avec ce qu'on attendrait pour de la matière noire avec notamment un maximum le 2 juin.

Source : http://arxiv.org/abs/1002.1028

Seul "petit" problème ; le signal de WIMPS vu par DAMA est incompatible avec les résultats des autres expériences ! Après avoir écarté toutes les possibilités de biais expérimentaux, la communauté scientifique est maintenant convaincu que DAMA voit bien quelque chose de réel, mais on ne sait toujours pas quoi.

Le résultat présenté par CoGeNT à l'APS

Lors du congrès d'avril de l'American Physics Society, l'expérience américaine CoGeNT qui utilise des détecteurs au germanium, a montré ce qui ressemble fortement à une modulation du signal compatible avec l'observation de DAMA. Le signal n'est pas encore statistiquement significatif, mais ces premières indications relancent la discussion dans le milieu de la physique de la matière noire.

Voici en tout cas l'exemple typique d'un problème scientifique ardu avec des résultats expérimentaux très surprenants  et qui démontre, s'il en était besoin, que lorsqu'on travaille aux frontières de la connaissance il faut être prêt à faire face à quelques surprises et à remettre en cause ce que l'on pense bien établi.

Aneyoshi

Les Tsunamis au Japon ne datent pas d'hier. Plusieurs médias (par exemple ici ) ont parlé récemment des stèles érigés par les anciens à la suite de tsunamis meurtriers. Je n'ai pas pu trouver la traduction complète,  mais celle d'Aneyoshi  située dans la zone ou le ras de marée de mars dernier  a frappé les côtes du Japon, met très clairement en garde les générations futures contre les dangers des tsunamis et les invitent à ne pas construire leurs habitations en deçà de la stèle. Elle indiquerait par ailleurs que "les constructions situées en hauteurs assurerons la paix et le bonheur de nos descendants ". La vague de mars 2011 a bien frappé Aneyoshi, mais les habitants s'étant toujours conformé aux recommandations de la pierre, aucune victime ne fut à déplorer. Bien d'autres pierres à tsunami existent au Japon, mais bien sûr la plupart sont tombées dans l'oubli ou leur message a été ignoré depuis fort longtemps. J'imagine bien quelques vieux sages japonais se rappelant du tsunami de 1933 et criant au fou de vouloir braver la nature et de construire une centrale nucléaire si proche de la grève.

La stèle d'Aneyoshi - Photographie: Ko Sasaki for the New York Times

On peut rapprocher cela des nombreuses histoires d'anciens mettant en garde contre des constructions trop proche de telle ou telle rivière ou de tel ou tel couloir d'avalanche. Je me souviens de ma mère nous racontant l'avalanche qui avait balayé des maisons nouvellement implantées à flanc de montagne lors de la construction du barrage de Tignes en Savoie. Les anciens de la vallée savaient parait-il fort bien que l'avalanche était déjà passé par là et qu'elle y reviendrait un jour.

Et nous, quelles stèles allons nous laisser aux générations futures ? Des sites d'enfouissement de déchets nucléaires à vie longue vont bientôt voir le jour ; seule façon connue actuellement de mettre hors d'atteinte nos déchets les plus radioactifs. Les constructeurs de ces sites se posent  à juste titre la question de savoir comment prévenir nos descendants dans 50 000 ou 100 000 ans que ces endroits sont hautement dangereux et qu'ils ne doivent sous aucun prétexte y pénétrer à moins de disposer de la technologie suffisante pour traiter les déchets. Imaginons par exemple que notre belle civilisation s'écroule et que dans quelques dizaines de milliers d'années des Hommes n'imaginant même plus ce qu'est un atome, tombe par hasard sur ces galeries souterraines. Comment leur faire comprendre de rebrousser chemin ? Le célèbre tableau "Le Cri" d'Edvard Munch sert parait-il de base de réflexion pour imaginer un graphisme qui inspire la terreur et indique que le lieu est malsain.

J'imagine que le même type de stèle devra être installé autour des sarcophages de Tchernobyl, de Fukushima et de tous les autres qui ne manqueront probablement pas de surgir aux quatre coins du monde dans les prochaines décennies. Les pictogrammes utilisés voudront probablement dire quelque chose du genre : "Peuple de la Terre n'approchez pas de ces lieux maudits avant 100 000 ans et rappelez vous de rester humble fasse à  la nature".


Si quelqu'un possède la traduction complète de l'inscription sur la pierre, je suis preneur.

Matière noire et statistiques

En 1933 Fritz Zwicky en estimant les vitesses de galaxies réunies en amas, découvre qu'il semble y avoir un désaccord important entre la masse des amas estimée à partir de la luminosité des galaxies qui les composent et la masse nécessaire pour rendre compte de la dynamique de l'ensemble. Ce soupçon se confirmera dans les années 1970 avec les mesures des vitesses de rotation des galaxies spirales qui montrent un très fort désaccord par rapport aux prédictions basées sur l'estimation de la distribution de la masse visible. Finalement, c'est l'analyse du rayonnement cosmologique à 2.7 Kelvins par le satellite WMAP, qui permettra de déterminer que la matière ordinaire composée d'atomes, représente un peu moins de 17% de l'ensemble de la matière présente dans l'Univers. Les 83% restants sont composés d'une matière inconnue qui ne rayonne pas, n'interagit pratiquement pas avec la matière ordinaire et ne se manifeste que par ses effets gravitationnels. Cette matière porte le nom de matière noire ou matière sombre à ne pas confondre avec l'énergie noire, composante majoritaire et non matérielle de l'univers, dont la nature est encore plus mystérieuse.

De nombreuses hypothèses existent quant à la nature de la matière noire, l'une des plus plausibles est qu'il s'agit de particules d'un genre nouveau, plutôt massives et donc  peu rapides (matière noire froide) et interagissant très peu avec la matière ordinaire. Ce type d'objet est connu sous l'acronyme de WIMP pour Weakly Interacting Massive Particle. Cette appellation est aussi un jeu de mots, puisque "wimp" signifie "mauviette" en anglais.

Si les hypothèses énoncées plus haut sont vraies, la matière noire est probablement présente partout dans l'univers et en particulier, il doit en exister de grandes quantités tout autour de nous à n'importe quel endroit de la Terre. La difficulté est évidemment de la détecter puisque par nature, ces WIMPs n'interagissent pratiquement pas avec la matière ordinaire. Toutefois, "pratiquement pas" ne veut pas dire "pas du tout" et on suppose que les WIMPs ont une petite probabilité de diffuser élastiquement sur les noyaux de la matière ordinaire, c'est-à-dire qu'un WIMP peut en quelque sorte "frapper" un noyau et mettre celui-ci en mouvement. Le terme "frapper" est ici une image simplificatrice qui recouvre des processus de physique des particules complexes dépendants de la nature de la matière noire.

A partir de ces hypothèses, des méthodes de détection de la matière noire ont été imaginées, l'idée est de détecter les effets du "choc" de la particule de matière noire sur un noyau du milieu détecteur. Plusieurs techniques sont possibles, l'une d'entre elles, utilisée dans les expériences CDMS aux USA et EDELWEISS dans le Laboratoire Souterrain de Modane en France, utilise des cristaux de germanium. Le noyau de germanium qui recule sous "l'impact" de la particule incidente, ébranle le réseau cristallin et cette excitation appelée "phonon" se propage dans le cristal. La propagation du phonon s'accompagne d'une très petite élévation de température qui peut être détectée par un système adapté. Ce type de détecteur s'appelle un "bolomètre". L'avantage du germanium est qu'il est également très bien adapté pour détecter l'ionisation provoquée par le mouvement du noyau qui arrache quelques électrons aux atomes environnants.

En combinant les mesures simultanées d'ionisation et de chaleur on possède un système de détection particulièrement efficace, encore faut-il être capable de lutter contre le bruit de fond dû à des particules standards qui peuvent simuler un signal de matière noire.  Pour cela les précautions suivantes sont prises :

• Les détecteurs sont installés dans des laboratoires souterrains afin que quelques milliers de mètres de roche absorbent l'essentiel du rayonnement cosmique.
• Les détecteurs sont refroidis à quelques centièmes de Kelvin afin d'être capables de mesurer les dépôts de chaleurs minuscules associés aux phonons.
• Il faut blinder les détecteurs pour les protéger de la radioactivité naturelle, pour cela on les enferme dans des enceintes en plomb, mais étant donné que le plomb est naturellement un peu radioactif on utilise du plomb archéologique trouvé dans des épaves de bateau, dont les isotopes radioactifs ont disparu par désintégration naturelle. De même tous les matériaux constituant l'expérience doivent être choisis avec beaucoup de soin pour éviter les plus infimes contaminations radioactives.
• On blinde également contre les neutrons qui dans certains cas simulent très bien l'effet de la matière noire.

Tout ceci fait, il ne reste plus qu'à mettre les détecteurs en route et à attendre que les hypothétiques particules de matière noire veuillent bien interagir avec quelques noyaux. Même en prenant toutes les précautions possibles, il est inévitable que quelques bruits de fond insidieux subsistent encore. Ce bruit de fond, dit irréductible ne pouvant, par définition pas être évité, il faut le modéliser du mieux possible afin de savoir combien d'interactions parasites doivent être attendues en un temps donné.

Après un certain temps d'exposition du détecteur et une analyse fine des mesures destinée à écarter les interactions qui ne sont manifestement pas dues à la matière noire, les physicien(ne)s se retrouvent avec un certain nombre de candidats dont il est impossible de savoir s'il s'agit de bruits de fond ou de signaux de matière noire. Heureusement les statistiques viennent à notre secours et plus particulièrement la loi de Poisson qui s'énonce comme suit:

Cela semble compliqué, mais c'est en fait très simple. Si les modélisations du bruit de fond que l'on a essayé de faire le plus précisément possible, indiquent que durant le temps de mesure du détecteur on s'attend en moyenne à détecter lambda interactions de bruit de fond, alors la loi de Poisson nous donne la probabilité d'observer en réalité k interactions, toutes dues au bruit de fond.  En effet, la nature probabiliste du phénomène, fait que si en moyenne on attend par exemple 3 occurrences d'un évènement, il se peut que seulement 2 ou bien 4 ou même une seule soient observées.

Par exemple si on attend en moyenne 0.9 interaction de bruit de fond, la probabilité d'en observer 3 sera égale à 5%, ce qui n'est pas suffisamment significatif pour prétendre à une découverte de la matière noire. Par contre si on en observe 6, alors la probabilité que ce ne soit que du bruit de fond chute à 0.03%, il y a alors une très forte probabilité pour que l'expérience ait observé un phénomène nouveau ou bien pour que le bruit de fond soit mal modélisé...

Récemment l'expérience EDELWEISS a détecté 5 interactions pour un peu moins de 3 attendues, on ne peut donc strictement rien en déduire quant à l'existence ou non de la matière noire. Cette mesure permet toutefois de contraindre les modèle théoriques. Ceci dit, plusieurs expériences à travers le monde traquent la matière noire depuis des années, les détecteurs sont de plus en plus sensibles, il est donc possible qu'une bonne surprise apparaisse très prochainement...

M63 - La galaxie du Tournesol

Également dans la constellation des Chiens de Chasse et tout près de la galaxie du tourbillon (M51) se trouve une autre galaxie très esthétique surnommée "le Tournesol". Elle a été découverte en 1779 par l'astronome Pierre Méchain puis ajoutée en tant que 63ème objet du catalogue des nébuleuses et amas d'étoiles, dressé par Charles Messier. Tout comme M51,  M63 se trouve à environ 31 millions d'années-lumière de la Terre.

Dans la classification établie par Edwin Hubble en 1936, le Tournesol est catalogué comme une Galaxie Spirale de type Sb ou Sc, c'est à dire possédant des bras peu serrés.

En mai 1971, G. Jolly, à l'observatoire Corralitos, observa dans M63 l'explosion de Sn1971I, une supernova de type 1.

L'image ci-dessous a été réalisée avec un télescope Newton de 150 mm de diamètre pour 750 mm de focale et équipé d'une caméra CCD. 30 poses individuelles de 4 minutes ont été combinées afin d'obtenir ce résultat.

On pourra comparer avec cette image - cliquer ici - réalisée par Tony Hallas, un amateur possédant un matériel beaucoup plus sophistiqué que le mien. La comparaison est intéressante car elle montre que certains détails à peine visibles sur mon image ne sont pas des artéfacts. On pourra notamment repérer la légère nébulosité juste en dessous de l'étoile brillante à gauche de la galaxie qui est en réalité un morceau d'un des bras spiraux.

On pourra également essayer de repérer toutes les petites galaxies très lointaines, qui fourmillent dans l'image.

La bande noire dans la partie inférieure de la galaxie est une zone de poussières qui absorbe la lumière des étoiles environnantes et qui apparaît donc comme très sombre.

M51, le tourbillon cosmique

La galaxie du tourbillon a été découverte en 1773 par Charles Messier qui lui a donné le numéro 51 dans son célèbre catalogue. En 1781, l'astronome Pierre Méchain découvre que M51 est en réalité composée de 2 objets distincts référencés plus tard NGC 5194 et NGC 5195 selon la nomenclature du "New General Catalog".

Pour l'astronome amateur la galaxie du tourbillon est une cible de choix car elle est facilement observable, bien lumineuse, très grande et surtout d'une beauté à couper le souffle. Le printemps est la meilleure saison pour l'observer lorsque la constellation des Chiens de Chasse qui l'héberge est située bien haut dans le ciel.

Quand on a bien réglé la monture et le télescope et que l'on pointe cette galaxie, on a beau en avoir déjà vue des dizaines d'images, l'émotion est grande de voir apparaître ceci sur l'écran de l'ordinateur :

Ce qu'on a sous les yeux n'est ni plus ni moins que l'interaction gravitationnelle de deux galaxies situées à 31 millions d'années-lumière. On voit parfaitement le pont de matière avec sa bande de poussières entre les deux galaxies et les déformations des bras spiraux. La plus petite NGC 5195 semble plongée dans une sorte de brume qui n'est autre que la lumière diffuse de milliards d'étoiles éparpillées par la force de gravitation.

L'interaction de deux galaxies provoque la compression et l'échauffement de grandes masses de gaz interstellaire qui vont engendrer la formation de nouvelles étoiles. Mais contrairement à ce qu'on pourrait imaginer, les étoiles déjà présentes ainsi probablement que les systèmes planétaires qui leur sont associés ne sont pas perturbés outre mesure par la rencontre entre les deux titans. Notre propre galaxie croisera un jour le chemin de notre voisine Andromède ; les habitants de la Terre, s'il ne sont pas atomisés d'ici là, n'en subiront aucune conséquence fâcheuse.

M51 a également été étudiée par Halton Arp que j'ai déjà présenté ici. Il l'a cataloguée sous le numéro 85 avec d'autres couples de galaxies en interaction.

Sur l'image ci-dessus on trouve également IC 4263, une galaxie située à 120 millions d'années-lumière dont on distingue pourtant quelques maigres détails et IC 4277, très faible spirale vue par la tranche, dont je n'ai pas pu trouver d'estimation de la distance.