Grâce à SOFIA, un télescope qui regarde l'univers depuis un avion, les astronomes peuvent mieux étudier l'interaction des étoiles avec leur environnement.
Observer avec SOFIA est toute une expérience. Tout d'abord, nous devons nous rendre à Palmdale dans le désert californien. Au bord de cet endroit gris à première vue sous la chaleur du soleil se trouve le hangar avec un Boeing 747SP modifié. Sur le côté de l'avion se trouve une énorme trappe, derrière laquelle se trouve un miroir de télescope d'un diamètre de 2,5 m. Bientôt, avec nous à bord, l'avion décollera à une altitude de vol de 13 km.
Mais d'abord, nous devons aller au briefing de mission † Il traite des détails de la mission. Le programme de vol complexe, la météo et la teneur en vapeur d'eau dans l'atmosphère sont discutés. Tout est méticuleusement planifié. La vapeur d'eau attendue dans l'atmosphère renseigne sur la qualité des mesures à venir :moins il y en a, mieux c'est. C'est aussi la raison pour laquelle on utilise un avion :la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère absorbe le rayonnement infrarouge que l'on veut mesurer. À la hauteur de vol de SOFIA, la majeure partie de cette vapeur d'eau est en dessous de nous et nous pouvons observer ce rayonnement.
SOFIA est un projet coûteux et a été menacé de fermeture à plusieurs reprises. Les satellites peuvent aussi mesurer l'infrarouge depuis l'espace, ils ne sont plus gênés par l'atmosphère. Cependant, les satellites sont encore plus chers et vous ne pouvez plus y accéder. Une fois en orbite autour de la Terre, les instruments existants y restent. C'est très différent à SOFIA :parce qu'il atterrit après chaque mission, les instruments scientifiques peuvent être échangés ou remplacés par des versions plus modernes. Cela permet une large gamme d'instruments, chacun avec ses propres caractéristiques et applications.
Lors de nos séances d'observation avec SOFIA, nous utilisons l'instrument upGREAT, une mise à niveau du récepteur allemand pour l'astronomie aux fréquences térahertz. Cela signifie que nous ne sommes pas autorisés à utiliser les téléphones portables pendant le vol et que les fours à micro-ondes sont également tabous pour éviter les radiations perturbatrices. Heureusement, le café et le thé sont autorisés, sinon comment sommes-nous censés passer la longue nuit ? Il fait aussi très froid à bord. upGREAT doit après tout rester froid, sinon l'instrument perçoit principalement son propre rayonnement infrarouge.
Nous sommes prévenus des câbles qui traînent à bord, puis nous traversons le hangar jusqu'à l'avion. Je peux assister au décollage dans le cockpit. Cela donne une sensation très spéciale de voir les pilotes en action alors que l'aéroport et la ville disparaissent en dessous de nous. L'équipe des instruments s'affaire à préparer les systèmes. Souvent, il y a aussi des journalistes, qui regardent partout. Deux heures après le début du briefing de mission, le Boeing 747SP décolle. Parfois, un beau coucher de soleil sur l'océan Pacifique peut être vu. Pour l'équipe des instruments, il n'y a guère de moment de repos; en tant que chercheur invité, j'ai plus de temps pour en profiter et aussi pour admirer le télescope SOFIA. Pendant le vol, le télescope semble osciller d'avant en arrière. Comment pouvez-vous obtenir une image aussi nette? Mais en réalité l'avion vacille et le miroir du télescope ne bouge pas d'un millimètre grâce à un ingénieux système de capteurs.
Le télescope ne peut tourner que sur un axe et l'avion doit donc suivre la bonne trajectoire pour imager la source
Le télescope ne peut tourner que sur un axe, de sorte que l'avion doit suivre la bonne trajectoire pour imager la source. Il existe donc un horaire de vol strict dans lequel un puits est suivi pendant une ou deux heures en suivant un parcours prescrit.
Alors le moment est venu :nous sommes sur la bonne voie et nous captons les premiers photons de la nébuleuse d'Orion, qui nous parviennent après un temps de voyage d'environ 1 300 ans. Lentement, il y en a de plus en plus et notre carte de la zone à explorer s'améliore de plus en plus. Le rayonnement mesuré par GREAT est la raie de structure fine du carbone ionisé [CII], une raie infrarouge d'une longueur d'onde de 158 micromètres. Cela vient du gaz chaud qui entoure les étoiles. Le gaz est en mouvement, provoquant le déplacement de la ligne en raison de l'effet Doppler. De cette façon, nous pouvons déterminer la vitesse radiale (le long de la ligne de visée). Après 13 vols, un temps de mesure d'environ 40 heures, nous avons la plus grande carte jamais réalisée dans cette ligne particulière. Pas seulement une image 2D, mais chaque pixel est en réalité un spectre. De cette façon, nous pouvons former une image 3D de toute la zone. Les informations de vitesse de ces spectres servent à identifier des structures cohérentes.
Figure ci-dessus. Images infrarouges de la nébuleuse d'Orion et des nébuleuses du Nord NGC 1973, 1975, 1977. a) Images Herschel/PACS et SPIRE de la poussière interstellaire en 70µm, 160µm et 250µm. La poussière chaude, chauffée directement par θ Ori C, rayonne à de courtes longueurs d'onde (bleu). Des longueurs d'onde plus longues (rouge) sont émises par la poussière froide, le réservoir de matériau de formation d'étoiles au plus profond du nuage. b) Image SOFIA/upGREAT de la raie spectrale du carbone ionisé ([CII]) suivant le gaz chaud chauffé directement par θ Ori C. c) Image Spitzer/IRAC en 8µm à partir de molécules d'hydrocarbures polyaromatiques interstellaires qui fluorescent dans la lumière ultraviolette intense de θ Ori C.
La nébuleuse d'Orion contient de nombreuses étoiles, légères et lourdes. Au centre se trouvent les plus lourds d'entre eux, l'amas trapézoïdal. Ces étoiles encore jeunes et chaudes, avec leur rayonnement ultraviolet intense, sont responsables de l'éclairage du gaz et de la poussière dans l'environnement. En particulier, le plus lourd, θ Ori C avec une masse d'environ 33 fois celle du Soleil, émet un fort rayonnement ionisant, faisant émettre de la lumière par le gaz. De plus, les étoiles massives ont des vents forts :du gaz est soufflé dans l'espace depuis la surface de l'étoile, affectant le milieu interstellaire environnant. Autour de ces étoiles et de la région centrale de Huygens - le gaz ionisé dans le voisinage immédiat des étoiles trapézoïdales - se trouve une coquille de gaz comprimé beaucoup plus grande. Cette grande coquille peut être vue sur de nombreuses images infrarouges, mais sans les informations (de vitesse) que nous avons recueillies. Des recherches antérieures ont montré que la coquille est remplie de gaz chaud qui émet des rayons X, un premier signe que des vents stellaires ont créé cette bulle. Mais à quelle vitesse le gaz se déplace-t-il réellement ? Combien d'énergie contient-il ?
Les données brutes fournies par upGREAT doivent être nettoyées au cours d'un processus long et fastidieux. Ce n'est qu'à la fin de cette réduction des données que nous pourrons vraiment analyser les données. Par exemple, les pics de téléphonie mobile et autres perturbations doivent être repêchés. Cela prend beaucoup de temps pour environ 2 millions de spectres. Parce que la quantité de données dépasse la mesure habituelle, de nouvelles méthodes de réduction doivent également être inventées lors de la réduction. Le jeu de données final est suffisamment volumineux pour faire l'objet de plusieurs thèses. Il y a beaucoup à découvrir dans la nébuleuse d'Orion.
La nébuleuse optique d'Orion est enveloppée d'un voile formé par une coquille qui se dilate à une vitesse d'environ 13 km/s
Il apparaît immédiatement dans le film que nous avons compilé les spectres et dans lequel les données de vitesse ont également été traitées, que la grande coquille (avec un rayon de 2 parsecs ou 6,5 années-lumière) est en expansion. La question est, pouvons-nous quantifier cela? Après plusieurs tentatives infructueuses, nous trouvons enfin un moyen de visualiser la vitesse de l'obus en expansion. Au moyen de diagrammes position-vitesse - une coupe transversale de la carte dans laquelle les spectres sont représentés sous forme de couleurs - nous visualisons l'expansion (Figure 4). Les coquilles en expansion se présentent comme des structures en arc. Le résultat est d'une beauté surprenante :la nébuleuse optique d'Orion est enveloppée d'un voile formé par une coquille qui se dilate à une vitesse d'environ 13 km/s.
Selon les modèles, environ la moitié de l'énergie du vent stellaire va dans l'expansion du gaz environnant. Pour déterminer la masse du gaz en expansion, nous utilisons des enregistrements infrarouges de la poussière chaude mélangée au gaz (Figure 3a). Cela nous amène à 2600 masses solaires, ce qui correspond bien à la théorie.
On peut également déterminer le temps de formation de la cloche :environ 200 000 ans. L'étoile elle-même ne reste pas immobile mais s'éloigne à une vitesse de 5 à 15 km/s de son lieu de naissance, le nuage moléculaire d'Orion. Lorsqu'elle terminera sa vie en tant que supernova après quelques millions d'années, l'étoile sera à environ 25 parsecs (81,5 années-lumière) du nuage, trop loin pour l'affecter. Auparavant, on pensait que les supernovae en particulier déchiraient les nuages moléculaires, empêchant ainsi la formation d'étoiles. Mais ces observations montrent que les vents d'une étoile peuvent être plus importants pour perturber son environnement et arrêter la formation d'étoiles.
La formation des étoiles se déroule selon un cycle :les étoiles naissent de nuages moléculaires denses. Les plus lourds d'entre eux balayent le gaz et la poussière environnants. Cela comprime localement le milieu interstellaire, créant de nouvelles régions denses pour la formation d'étoiles. La mesure dans laquelle les étoiles se forment est une mesure de la formation de la structure de l'univers. Dans les simulations cosmiques tentant d'expliquer l'évolution de l'Univers, le taux de formation d'étoiles est utilisé pour estimer la rétroaction stellaire sur les nuages moléculaires qui forment l'épine dorsale de ce cycle. C'est donc un paramètre important qui influence grandement le résultat final de la simulation et notre compréhension de l'univers et de la formation des galaxies.
SOFIA explore également d'autres régions de formation d'étoiles, nébuleuses, galaxies et planètes. Plusieurs projets sont discutés sur chaque vol de 10 heures. En tout cas, grâce à SOFIA, nous avons élargi notre compréhension de la structure de la nébuleuse d'Orion et de la rétroaction des étoiles massives vers leur lieu de naissance, le nuage moléculaire.
Cet article a été initialement publié dans le magazine ZENIT.
