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Globular Cluster Omega Centauri Looks Radiant in Infrared

A cluster brimming with millions of stars glistens like an iridescent opal in this image from NASA's Spitzer Space Telescope. Called Omega Centauri, the sparkling orb of stars is like a miniature galaxy. It is the biggest and brightest of the 150 or so similar objects, called globular clusters, that orbit around the outside of our Milky Way galaxy. Stargazers at southern latitudes can spot the stellar gem with the naked eye in the constellation Centaurus. Globular clusters are some of the oldest objects in our universe. Their stars are over 12 billion years old, and, in most cases, formed all at once when the universe was just a toddler. Omega Centauri is unusual in that its stars are of different ages and possess varying levels of metals, or elements heavier than boron. Astronomers say this points to a different origin for Omega Centauri than other globular clusters: they think it might be the core of a dwarf galaxy that was ripped apart and absorbed by our Milky Way long ago. In this new view of Omega Centauri, Spitzer's infrared observations have been combined with visible-light data from the National Science Foundation's Blanco 4-meter telescope at Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chile. Visible-light data with a wavelength of .55 microns is colored blue, 3.6-micron infrared light captured by Spitzer's infrared array camera is colored green and 24-micron infrared light taken by Spitzer's multiband imaging photometer is colored red. Where green and red overlap, the color yellow appears. Thus, the yellow and red dots are stars revealed by Spitzer. These stars, called red giants, are more evolved, larger and dustier. The stars that appear blue were spotted in both visible and 3.6-micron-, or near-, infrared light. They are less evolved, like our own sun. Some of the red spots in the picture are distant galaxies beyond our own.

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La lunette astronomique: un peu plus compliqué (niveau Lycée)

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La lunette astronomique: un peu plus compliqué (niveau Lycée)

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Jeunes et géantes, les exoplanètes de V1298 Tauri | Actu de science

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Il n'est pas rare, en science, que les réponses apportées à d'anciennes questions fassent surgir de nouvelles interrogations. Ainsi en est-il de la carte de l'Univers en trois dimensions dressée par des centaines d'astrophysiciens du monde entier, au terme de vingt ans de récoltes et d'analyses de données. Une méthode affinée, des millions d'objets célestes répertoriés, des centaines d'articles, des milliers de pages de littérature scientifique, des résultats surprenants sur l'histoire cosmologique : tel est l'héritage de cet effort de cartographie sans précédent. Mais aussi, le legs de deux énigmes toujours irrésolues. En observant la voûte céleste sur une profondeur inégalée, les chercheurs ont pu regarder loin dans le passé et proposer une nouvelle valeur du taux d'expansion de l'Univers. Or celle-ci ne coïncide pas avec les chiffres résultant d'autres méthodes de calcul. Et si leurs observations confirment l'existence de la mystérieuse " énergie noire ", elles n'éclairent pas sa nature. Autant de mystères à dissiper pour les futurs programmes de cartographie du ciel...

Mesurer les distances : le redshift

Pour estimer la distance d'un astre à la Terre, les chercheurs recourent à la mesure du redshift, une distorsion de la lumière comparable à l'effet Doppler pour le son : la lumière d'un astre est " décalée vers le bleu " s'il se rapproche et " vers le rouge " s'il s'éloigne. Or, selon la loi de Hubble énoncée en 1929, ce décalage est proportionnel à la distance : il varie de 0 pour les galaxies voisines à 3 pour les quasars les plus reculés. Ici, le repère utilisé par les astrophysiciens - la double ligne noire verticale correspondant à la signature chimique de l'astre étudié - se décale vers le rouge (vers la droite) avec la distance (croissante de bas en haut).

La carte la plus vaste de l'Univers

Quatre millions d'objets sont placés sur cette carte en trois dimensions de l'Univers.

Des centaines d'astrophysiciens du monde entier y ont travaillé durant vingt ans. Patiemment, ils ont récolté et analysé les données de relevés successifs réalisés au télescope de la fondation Sloan, à l'observatoire d'Apache Point, au Nouveau-Mexique, portant sur des objets de plus en plus éloignés dans l'Univers. Des relevés très denses, baptisés SDSS (Sloan Digital Sky Survey), BOSS (Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey) et enfin eBOSS (pour extended BOSS). Et le 20 juillet 2020, ces chercheurs ont publié une carte de l'Univers riche de quatre millions de galaxies bleues, rouges, de quasars et de vides cosmiques. Chacun de ces astres s'y trouve situé dans un plan - la voûte céleste - par un couple de coordonnées " X " et " Y ". Mais l'originalité de ce projet, c'est d'avoir aussi situé les astres selon leur " profondeur " grâce à la mesure du " décalage vers le rouge " par un spectrographe couplé au télescope : un instrument optique capable de disperser les couleurs de la lumière puis d'enregistrer le spectre obtenu. Plus le redshift d'un objet est élevé, plus sa distance à la Terre est grande, plus sa lumière a été émise il y a longtemps. Entre 2014 et 2019, le dernier des relevés, eBOSS, s'est intéressé à des objets, comme les quasars, au redshift très élevé. Il a ainsi révélé des régions très éloignées de l'Univers, restées inexplorées. Et ce faisant, un pan méconnu de l'histoire cosmologique sur une période s'étendant d'il y a 6 à 11 milliards d'années, l'Univers étant lui-même âgé de 13,7 milliards d'années.

Regards sur le passé

La carte permet de reconstituer l'histoire cosmologique en remontant jusqu'à 11 milliards d'années.

Un photon émis par une source lumineuse à une année-lumière de la Terre a parcouru 10 000 milliards de kilomètres en un an avant de nous parvenir. Ainsi, plus on regarde loin dans l'espace, plus on remonte le temps. La carte en 3D permet donc d'observer l'Univers à différentes phases de son histoire, jusqu'il y a 11 milliards d'années, soit 2,7 milliards d'années après le Big Bang. Et notamment les lointains quasars, les vedettes du dernier relevé (eBOSS) : des trous noirs supermassifs, représentant des dizaines de millions, voire des milliards de masses solaires ! De véritables monstres, comparés au trou noir placé au centre de la Voie lactée, et ses 4 millions de masses solaires " seulement ". On y trouve aussi les galaxies dites " à raies d'émission ". Même lointaines, elles sont relativement aisées à observer, car elles abritent de nombreuses étoiles en formation, ce qui confère à la lumière qu'elles émettent une " signature spectrographique " singulière (la décomposition de leur lumière en longueur d'ondes). " Âgées " de 6 à 8 milliards d'années, ces galaxies seront cartographiées en grand nombre dans le cadre du projet DESI, le successeur de Sloan : 17 millions, contre 300 000 aujourd'hui. Enfin, ce grand retour en arrière a permis aux chercheurs d'affiner notre connaissance de l'histoire cosmologique : alors que l'expansion de l'Univers a d'abord décéléré durant plus de sept milliards d'années, elle accélère depuis six milliards d'années. Quelle est cette force qui, en " éloignant " les objets du cosmos les uns des autres, explique cette expansion accélérée ? À défaut d'une explication précise, les scientifiques la nomment " énergie noire ".

Un taux d'expansion controversé

Parmi les grands défis de l'astrophysique contemporaine se trouve la détermination de la constante de Hubble, aujourd'hui discutée.

De la mesure du taux d'expansion de l'Univers - qu'on appelle la " constante de Hubble " d'après l'astronome américain Edwin Hubble (1889-1953) - découle la précision de nos connaissances sur l'histoire de l'Univers, mais aussi de nos projections sur son avenir. Depuis plusieurs dizaines d'années, cette valeur fait l'objet de savants calculs sans qu'un consensus ne se dégage sur une donnée précise. Grossièrement, deux " écoles " s'opposent. Dite des " distances d'objets proches ", la première est fondée sur l'observation des céphéides (étoiles variables géantes) et des supernovas (explosions d'étoiles). La seconde méthode repose sur les données livrées par le fonds diffus cosmologique, c'est-à-dire l'empreinte de la plus ancienne lumière du cosmos. Ces dernières données peuvent être combinées avec celles récoltées par le télescope Sloan, qui couvrent 80 % de l'histoire de l'expansion de l'Univers, y compris une période ancienne et jusqu'alors mal connue (entre 6 et 11 milliards d'années). Mais ce faisant, les physiciens obtiennent un chiffre inférieur de 10 % à celui de la première " école ". Il n'y a à priori pas de raison d'attribuer cet écart au recueil des données, car elles sont extrêmement précises. Est-ce donc leur interprétation qui est fausse ? Ou bien le modèle cosmologique qui les sous-tend, erroné ? Avec une moisson de données plus précises et abondantes que celles de Sloan, le projet DESI, son successeur, tentera de trancher la question.

L'accélération de l'expansion de l'Univers, une énigme tenace

Cartographier l'Univers vise à comprendre pourquoi l'expansion accélère au lieu de décélérer, explique Patrick Petitjean, astronome à l'Institut d'astrophysique de Paris (Sorbonne Université/CNRS).

Lire l'audio

Dresser une carte précise du ciel, c'est la mission assignée au spectrographe DESI, installé sur le télescope Mayall, en Arizona. Objectif, explique la chercheuse en cosmologie Nathalie Palanque-Delabrouille : retracer l'histoire de l'Univers...

Une nouvelle carte de l'Univers en trois dimensions recense les positions de 4 millions de corps célestes. Le fruit d'une course de fond menée par des centaines de chercheurs du monde entier depuis vingt ans...

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Univers : une carte à remonter le temps | Le blob, l'extra-média

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C'est la carte tridimensionnelle la plus complète réalisée à ce jour. Publiée le 20 juillet 2020, elle permet de remonter aux débuts de l'Univers, alors qu'il était âgé de moins de 3 milliards d'années. Et déjà, une nouvelle carte commence à être dressée, avec le spectrographe DESI.

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Conçu pour répondre aux questions les plus essentielles sur l'Univers et permettre des découvertes, le très attendu télescope spatial James Webb a été lancé en décembre 2021, depuis le centre spatial de Kourou en Guyane. Il embarque une série de quatre instruments (MIRI, NIRSpec, Niriss et NIRCam), conçus pour observer les objets les plus lointains. MIRI en particulier, devrait permettre de révéler la formation des galaxies, il y a treize milliards d'années, ou encore d'observer la formation des étoiles et des planètes.

Production : CEA, Cnes, CNRS

Année de production : 2021

Durée : 6min01

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Le télescope spatial James Webb et l'instrument MIRI | Le blob, l'extra-média

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Conçu pour répondre aux questions les plus essentielles sur l'Univers et permettre des découvertes, le très attendu télescope spatial James Webb a été lancé en décembre 2021, depuis le centre spatial de Kourou en Guyane. Il embarque une série de quatre instruments (MIRI, NIRSpec, Niriss et NIRCam), conçus pour observer les objets les plus lointains.

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