Histoire de la galaxie M31

Quarante-trois astrophysiciens du monde entier ont analysé des données fournies par les équipements de spectroscopie obtenus par observation de notre voisin immédiat la grande galaxie d’Andromède située à 2,57 millions d’années-lumière de notre galaxie, elle-même très semblable à celle-ci.

Pour retracer l’historique de cette galaxie un détecteur spécialement conçu pour tenter de trouver l’énergie noire qui ferait partie de l’univers tel que les théories récentes le conçoivent a été utilisé pour observer quelques 7438 étoiles de cette galaxie dont la vitesse radiale autour du centre de la galaxie étaient déjà en partie connues. Le spectroscope dont est équipé le télescope de 4,2 mètres de diamètre de l’observatoire de Kitt Peak est connecté à l’analyseur par 5000 fibres optiques autorisant une étude détaillée et individualisée de chaque étoile d’intérêt et de visualiser leur vitesse de déplacement par rapport au centre de la galaxie et relative par rapport au lieu d’observation, c’est-à-dire la Terre, sachant que la galaxie M31 elle-même se rapproche de la notre à une vitesse de 300 km par seconde. Soyons rassurés tout de même puisque ces deux objets célestes ne se rencontreront que dans plus de 5 milliards d’années … Ces mesures ont également pris en compte la vitesse de déplacement de notre système solaire autour du centre de notre galaxie (251 km/seconde) ainsi que le déplacement de chacune de ces 7000 étoiles autour du centre galactique de M31. L’ensemble combiné de toutes ces vitesses se réfère au standard de repos galactique (GSR, Galactic Standard of Rest), une référence fictive utilisée par les astrophysiciens, en l’occurence le fond diffus cosmologique.

L’analyse spectroscopique de ces milliers d’étoiles hors du halo central de M31 a autorisé la visualisation du mouvement d’ensemble au sein de cette galaxie et les résultats obtenus sont spectaculaires. Le mouvement des étoiles ainsi analysées de par le déplacement de leurs raies spectrales vers le rouge, en s’éloignant de l’observateur, ou vers le bleu, en se rapprochant du même observateur (effet Doppler), selon l’angle d’observation par rapport au centre de M31, les coordonnées spatiales η et ξ exprimées en degrés montre une sorte de mouvement d’ensemble à première vue difficile à expliquer. Et pourtant la puissance de calcul des ordinateurs utilisés pour dépouiller les résultats des observations ont permis de montrer, outre les effets sur le flux géant des étoiles ayant lieu dans le halo d’étoiles entourant la structure centrale de M31 dont la cause est le champ gravitationnel des galaxies compagnons M32 et NGC205 que l’on peut distinguer sur le premier cliché de M31 en lumière visible (wikipedia), des effets de marée géants dont l’existence ne peut s’expliquer que par une collision avec une autre galaxie il y a environ 2 milliards d’années. Il s’agit de la seule explication possible pour rendre compte de ces mouvements de marée observés dans le mouvement général des étoiles étudiées. La galaxie d’Andromède ressemble à « notre » galaxie et c’est la raison pour laquelle l’attention des astrophysiciens est focalisée sur ce seul objet sidéral d’autant plus qu’elle est suffisamment proche pour pouvoir étudier individuellement un grand nombre d’étoiles de cette structure. Enfin l’instrument utilisé appelé DESI a aussi été utile pour faire une estimation de la matière noire contenue dans M31 qui est équivalente à 600 milliards de fois la masse du Soleil, la masse baryonique, c’est-à-dire constituée de particules sub-atomiques et d’atomes, de cette dernière étant évaluée à 1500 milliards de fois la masse du Soleil. 

Source : http://dx.doi.org/10.48550/arXiv.2208.11683 en accès libre.

Réflexions. Certains ténors médiatiques prétendent que par exemple la science du climat est définitive (« settled »). Il s’agit d’une chimère et à ce propos j’ose insérer ici une pensée de Pascal : « Il faut savoir douter où il faut, assurer où il faut, se soumettre où il faut. Qui ne fait ainsi n’entend pas la force de la raison. Il y en a qui pèchent contre ces trois principes, ou en assurant tout comme démonstratif, manque de se connaître en démonstration ; ou en doutant de tout, manque de savoir où il faut se soumettre ; ou en soumettant en tout, manque de savoir où il faut juger ». Le propre des scientifiques est de douter car la science est toujours en évolution. À l’époque de Blaise Pascal on ignorait ce qu’était une galaxie, il fallut attendre les années 1920 pour assister à la mise en place de la mécanique quantique avec la formulation mathématique de la structure de l’atome. Personne n’aurait imaginé que les galaxies étaient constituées de milliards d’étoiles obéissant aux lois de Kepler pour ne pas aller se perdre dans le centre de haute densité rencontré dans toute galaxie et, de même que les planètes du système solaire tournent autour de leur étoile, tourner autour de ce centre galactique. La cosmologie telle qu’on la connait aujourd’hui n’est pas une science établie ou définitive. En effet toutes les formulations mathématiques tentées pour atteindre une vision globale et synthétique de l’Univers nécessitent l’introduction de paramètres dont on ignore encore la nature, la matière noire qui dans le cas des études de la galaxie M31 expliquent de manière satisfaisante la dynamique interne de cette galaxie, mais qu’en est-il de l’énergie noire ? L’homme a tendance à tout connaître et tout expliquer sans mettre en doute ses affirmations. C’est un leurre car tout est mouvant et rien ne s’explique simplement et l’un des exemples le plus évident est la science du climat que d’aucuns considèrent comme définitivement établie. Pascal aurait glosé sur cette attitude orgueilleuse de l’homme moderne … Tout est dit dans la « pensée » figurant ci-dessus.

Les supernovae : quelques objets célestes observés depuis 1000 ans

L’homme a toujours été fasciné par le spectacle du ciel nocturne étoilé. Les grands spectacles tels que les comètes étaient à l’origine d’effrois inexpliqués qui disparaissaient quand la comète disparaissait. Les éclipses de la Lune permirent aux mathématiciens grecs de conclure que la Terre était sphérique de même que la Lune elle-même en étudiant l’arc de cercle de l’ombre portée par la Terre lors d’une éclipse. D’autres objets lumineux mobiles comme les planètes ont longtemps obsédé les astronomes et il fallut un mathématicien comme Kepler pour commencer à comprendre le mouvement héliocentrique des planètes. C’est ainsi que la théorie soutenue par l’Eglise de Rome affirmant que la Terre était au centre du système solaire fut démantelée. Un autre phénomène très spectaculaire fut l’observation des explosions de supernovae. Il y eut celle de l’an 1006 et largement décrite par les astronomes égyptiens. Ce fut l’évènement le plus brillant que connut l’humanité au cours de ce dernier millénaire. L’objet atteignit probablement la taille de la pleine Lune et il était possible de lire un manuscrit au milieu de la nuit sans l’aide d’une lampe à huile. Celle qui fut observée le 4 juillet 1054 reste encore aujourd’hui l’évènement céleste le plus largement décrit depuis que les hommes tiennent des registres de leurs observations célestes. Contrairement à l’explosion de 1006 dans la constellation du Loup elle eut lieu dans la constellation du Taureau et facilement observable en Europe occidentale et en Chine. À nouveau l’objet était tellement brillant que pendant quelques mois les nuits furent si claires qu’il était possible de lire et de se déplacer sans lanterne.

Il fallut attendre le mois de novembre 1572 pour observer dans la constellation de Cassiopée une nouvelle supernova et celle-ci combla de bonheur le très grand astronome Tycho Brahe. Kepler, mentionné plus haut devint son assistant puis astronome à son tour et eut aussi le privilège d’observer en 1604 une autre supernova qui porta longtemps son nom. Comme les précédentes supernovae elle était aussi visible en plein jour. Depuis c’est la nuit complète puisqu’aucune supernova n’a pu être observée à l’oeil nu. Les restes de ces explosions ont tous été identifiés sans ambiguïté à l’ exception de celle qui fut observée en 1181 et également localisée dans la constellation de Cassiopée. Malgré des descriptions très précises des astronomes chinois et également japonais ce n’est que très récemment que le « reste » de cette explosion a été confirmé. Il s’agit de l’objet PA 30 d’un diamètre de cent mille fois la distance Terre-Soleil. Les études spectroscopiques détaillées de cet objet situé à 7000 années-lumière du système solaire indiquent que la supernova visible en 1181 serait le résultat de la collision de deux étoiles en cours de dégénérescence, ce qui expliquerait la faible vitesse d’expansion du nuage d’hydrogène, seulement 1100 km/s et la faible teneur en hydrogène et hélium du centre de l’objet pourtant un très puissant émetteur de rayons X. Cet événement observé en 1181 avait donc eu lieu en réalité 7000 ans plus tôt.

À ce propos il existe à 570 années-lumière du système solaire un candidat à une explosion. Il s’agit de l’étoile Betelgeuse, une géante rouge dont l’instabilité intrigue les astrophysiciens. Comme on observe aujourd’hui ce qui se déroulait il y a 570 ans cette étoile a peut-être déjà explosé ! Si tel est le cas lorsque la Terre recevra de plein fouet les radiations 100 plus puissantes que celles reçues lors de l’explosion de 1054 qui a laissé des traces dans les carottes glaciaires de l’Antarctique, en particulier la présence d’isotopes apparus par spallation cosmique. Pendant plusieurs mois la Terre bénéficiera (?) de nuits ensoleillées ! Puis bien plus tard, environ 60 années, le bombardement de particules accélérées à des vitesses de l’ordre du dixième de la vitesse de la lumière arriveront dans l’environnement de la Terre et cet événement pourrait provoquer des ravages pour la faune terrestre. Une nouvelle extinction ? Personne ne le sait mais ce qui ressort de cette réflexion est que l’univers n’est pas aussi paisible qu’on pourrait le croire naïvement. Mais revenons sur le plancher des vaches, il pourrait bien y avoir une guerre nucléaire dans les prochaines années …

Source : https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac2253

Illustration. Nébuleuse du Crabe, reste de l’explosion de la supernova de l’année 1054

La grande illusion humaine

Presque chaque semaine un article scientifique relatif à une vie extra-terrestre est publié. Il est ensuite repris par les médias et cette nouvelle sensationnelle de la découverte d’une exo-planète peut-être favorable à la vie agite les esprits. Dans la même veine des multimilliardaires songent à implanter une colonie humaine sur la planète Mars. Ils ont oublié un détail d’une importance capitale : vivre durablement sur cette planète du système solaire, notre système planétaire, est suicidaire en raison des rayons cosmiques et du vent solaire et les scientifiques qui n’ont pas la tête dans les étoiles le savent très bien. De plus une telle entreprise est techniquement irréalisable, dans l’état actuel des connaissances techniques. J’ai commencé à visionner un documentaire titré « Allo la Terre, vous avez un message ? ». Je n’ai pas tenu plus de deux minutes et je vais expliquer pourquoi, un élève de collège de bon niveau comprendra.

Il y a encore 20000 ans l’homme utilisait des outils rudimentaires puis il lui fallut plusieurs milliers d’années pour découvrir le cuivre et enfin le fer. Personne ne sait exactement comment ces découvertes furent possibles, toujours est-il que les hommes utilisèrent ces métaux pour fabriquer des armes afin de s’entretuer allègrement … Il y a 15000 ans c’était déjà la principale préoccupation des hommes.

Il fallut attendre la fin du XVIIIe siècle pour assister à la découverte de l’électricité par Franklin avec son cerf-volant par temps d’orage et ce n’est que l’Italien Volta qui finalement en 1800 produisit de l’électricité avec sa fameuse pile pour s’astreindre des montages compliqués de production dérisoire d’électricité d’origine dite électrostatique. L’utilisation de l’électricité pour émettre dans l’espace de faibles signaux électromagnétiques apparut plus d’un siècle plus tard avec la télégraphie sans fil, la radio, et les perfectionnements incessants de la technologie ont permis la télévision, les communications par satellite et enfin l’informatique et internet. Depuis 100 ans jamais personne n’a envoyé de réponse à tous les signaux électromagnétiques dont l’homme a inondé son espace proche, au mieux le système solaire. Toutes ces émissions électromagnétiques en provenance de la Terre ne sont pas précisément orientées vers un objet extra-terrestre où une forme de vie pourrait s’être développée. Ils passent donc inaperçus, disons inaudibles ou indétectables. Il ne faut donc pas espérer entrer en contact avec une « civilisation » extra-terrestre. Tout cela relève de la fiction.

La question qui a l’air de préoccuper l’humanité toute entière est de savoir s’il existe dans notre galaxie une planète sur laquelle l’apparition de la vie est possible, une planète ressemblant donc à la Terre. La réponse est statistiquement positive mais cette réponse ne résout rien. Si une forme de vie existe sur une autre planète tournant autour d’une autre étoile dans notre galaxie à quel stade de son évolution se trouve-t-elle aujourd’hui et surtout par quelle distance est-elle séparée de notre Terre ? Voilà la question cruciale à laquelle personne ne peut répondre. Il a été nécessaire à l’oeuvre de l’évolution plus de deux milliards d’années pour que le vivant primitif sous forme de bactéries elles-mêmes primitives conduise finalement à l’homme tel que nous le connaissons aujourd’hui sur la Terre. S’il en a été de même sur une autre planète favorable à l’apparition de la vie pour communiquer avec d’éventuelles créatures intelligentes au niveau de l’évolution depuis une bactérie primitive à une forme évolué et intelligente ça risque d’être très compliqué pour avoir quelque chance d’échanger un signal électromagnétique.

En effet, nous les hommes ne sommes capables d’émettre des signaux électromagnétiques (qui se propagent à la vitesse de la lumière) que depuis quelques dizaines d’années. Un peuple intelligent se trouvant sur une autre planète située à 1000 années-lumière de notre Terre devra attendre 1000 ans pour être capable de nous répondre et à notre tour il nous faudra attendre 1000 ans supplémentaires pour recevoir cette réponse. Il y a 1000 ans nous étions juste sur le point de construire des cathédrales et dans 1000 ans l’humanité existera-t-elle toujours ? Et si une telle population intelligente existait sur cette planète distante de nous il y a 1000 années-lumière a-t-elle perduré pour recevoir dans 1000 ans un signal de réponse aussi puissant soit-il en provenance de la Terre et émis aujourd’hui ? Cette simple remarque rend la probabilité d’entrer en contact avec des extra-terrestres infime sinon nulle. Que sera devenue l’humanité dans 1000 ans et que sera devenue dans le même temps cette population intelligente extra-terrestre ?

Par conséquent un autre paramètre qui n’a pas l’air de préoccuper ceux qui sont avides d’une prise de contact avec des créatures extra-terrestres est la durée de vie au cours de l’évolution d’une espèce donnée. Les dinosaures ont disparu, certes, mais bien d’autres créatures vivantes ont aussi disparu plus tard : c’est la loi de l’évolution et l’espèce humaine n’échappera pas à cette loi, il ne faut pas se faire d’illusion. Pascal disait que l’homme est un roseau pensant, en d’autres termes un être fragile mais mortel et condamné à sa disparition. Dans ces conditions l’homme serait avisé de ne plus se prendre pour un dieu, ne plus prétendre qu’il a un effet sur le climat, ne plus prétendre qu’il est éternel et accepter la réalité telle qu’elle est. Il n’entrera jamais en contact avec d’autres « civilisations extra-terrestres », il ne pourra jamais survivre ailleurs que sur la Terre, il n’y a pas de plan B, et il doit accepter qu’un jour il disparaîtra … s’il ne décide pas de s’exterminer lui-même pour précipiter le cours naturel de l’évolution.

Et si l’évènement cosmique GW 190521 avait eu lieu au centre de notre Galaxie ?

Notre galaxie est centrée sur un trou noir super-massif dont la masse est estimée à au moins 1,5 million de fois celle du Soleil, notre Soleil qui apparaît alors minuscule. Autour de ce trou noir géant gravitent d’autres trous noirs ainsi que des étoiles dans un maelström infernal où il ne doit pas faire très bon vivre. Enfin les astrophysiciens considèrent que ce trou noir est entouré de ce qu’ils appellent un disque d’accrétion. Il faut 26000 ans pour que les rayonnements provenant de l’environnement de ce trou noir central nous parviennent. Nous sommes donc très loin de cet enfer. Pourtant à l’échelle cosmique nous nous trouvons dans le voisinage du centre de la galaxie. Lorsque qu’Albert Einstein décrivit la relativité générale en 1915 ses équations prédisaient l’existence d’un phénomène, paraissant absurde à l’époque, de modification de l’espace-temps par une événement énergétique extrême auquel il n’avait pas donné de nom puisque les trous noirs étaient inconnus. Un tel événement devait donc, selon sa théorie, provoquer des ondes gravitationnelles et il a fallu attendre 100 ans pour vérifier par l’observation qu’elles existaient et qu’elles étaient bien réelles. Depuis une dizaine d’années des ondes gravitationnelles sont observées à l’aide des deux interféromètres Ligo situés aux USA, couplés à l’interféromètre Virgo se trouvant en Italie.

Brièvement ces interféromètres comprennent deux galeries rectilignes perpendiculaires l’une par rapport à l’autre et de 4 km de long. Un faisceau de lumière laser monochromatique est envoyé dans l’une des galeries, en revient, est dévié vers l’autre galerie, en revient et un système instrumental va détecter des franges d’interférence si la longueur parcourue par le faisceau laser est modifiée. Normalement il ne se passe rien sinon un bruit de fond provoqué par de microscopiques tremblements de terre comme par exemple le passage d’un camion à 10 km de l’installation malgré une technologie extrêmement sophistiquée de stabilisation des miroirs. Si par hasard la distance parcourue par le faisceau de lumière est modifiée alors apparaissent des interférences. C’est sur ce principe que ces équipement peuvent détecter des ondes gravitationnelles puisque selon la théorie d’Einstein elles déforment l’espace-temps et donc la longueur du parcours du faisceau lumineux. Il ne faut pas s’attendre à quoi que ce soit de spectaculaire, tout dépend de quoi on parle. En effet, il suffit d’une modification de la longueur de 4 km d’un des bras de l’interféromètre égale au diamètre du noyau d’un atome d’hydrogène pour que des interférences soient observées, j’y reviendrai.

L’objet de ce récit est d’imaginer que l’évènement GW 190521 observé le 21 mai 2019 a eu lieu au centre de notre galaxie et quels en seraient les effets sur la Terre. Cet événement a été très bien décrit et toutes les données sont accessibles sur ce lien : https://en.wikipedia.org/wiki/GW190521 . Il s’est agi de la fusion de 2 trous noirs, l’un de 85 masses solaires et l’autre de 66 masses solaires. Le résultat de la fusion a donné naissance à un trou noir de 142 masses solaires. Par conséquent une énergie équivalente à 9 masses solaires a été dissipée dans l’espace provoquant une onde gravitationnelle qui s’est propagée dans les trois dimensions de l’espace à la vitesse de la lumière en déformant ce dernier et la déformation des bras des interféromètres se trouvant sur la Terre, provoquée par cette onde gravitationnelle a atteint la longueur équivalente au diamètre du noyau d’un atome d’hydrogène, soit 0,8×10^-15 mètre ! L’évènement a eu lieu à une distance de 5,3 Gpc, comprenez Giga-parsec ou 5,3 milliards de fois 3,26 années-lumière ou encore 5×10²⁶ mètres de la Terre, difficile à imaginer j’en conviens. Non pas pour embrouiller les esprits mais présenter toutes les données relatives à cet événement cosmologique l’énergie dissipée, conformément à l’équation bien connue d’Einstein E=mc² où m est la masse dissipée, ici 9 masses solaires exprimée en kg, et c la vitesse de la lumière exprimée en mètres par seconde, alors on trouve 160×10⁴⁰ Joules, ça ne vous dit encore rien mais c’est l’énergie équivalente à 2850 milliards de milliards de fois toute l’énergie produite sur la Terre par l’activité humaine en un an (2017). Et si vous n’avez pas de référence pour situer ce qu’est un Joule c’est l’énergie qu’il faut déployer pour lancer une tomate de 100 grammes à un mètre de hauteur pour annuler brièvement la gravité de la Terre s’exerçant sur la tomate (source Wikipedia).

Supposons que l’évènement GW 190521 n’ait pas eu lieu aux confins de l’Univers mais au centre de notre galaxie, c’est-à-dire pour reprendre les unités astronomiques de distance utilisées plus haut à une distance de près de 8×10^{– 6} Gpc, mais oui, on se trouve tout près du centre de notre galaxie ! Alors les choses n’auraient pas du tout eu lieu de la même façon. Il faut, pour se faire une petite idée de l’éventuel cataclysme que provoquerait cet événement, considérer que l’énergie se dissipe dans toutes les directions de l’espace afin de se faire une idée de la déformation de l’espace-temps au niveau des interféromètres utilisés, les deux LIGO et Virgo. Les longueurs de 4 kilomètres auraient été déformées de 0,3 microns. Les tunnels auraient certainement résisté mais toutes les installations de mesure auraient été endommagées puisqu’elles ne sont pas conçues pour supporter un tel déplacement !

Vous devez vous demander pourquoi je suis arrivé à un résultat aussi minable et pour quelle raison il me paraissait intéressant d’écrire un billet à ce sujet. À l’échelle de l’Océan Atlantique, partant du principe que le fond de l’océan est homogène et stable, ce qui n’est pas tout à fait le cas, les côtes nord-américaine et africaine s’éloignent de 4 à 6 mm par an. Si l’évènement GW 190521 avait eu lieu dans le centre de notre galaxie il y a 30000 ans en quelques secondes ces côtes atlantiques s’éloigneraient de 0,45 mm, soit près d’un demi-centimètre. J’ai beaucoup de peine à imaginer quels seraient les effets d’un tel déplacement, c’est-à-dire rien du tout. Lors du grand tremblement de terre du 11 mars 2011, l’énergie accumulée par l’expansion du plancher de l’Océan Pacifique a été dissipée en quelques dizaines de secondes dans une zone très proche des côtes de l’île de Honshu et à 60 kilomètres de profondeur. À Tokyo ma petite-fille n’avait que 3 ans et elle ne s’en souvient plus mais elle a gardé une peur panique des tremblements de terre. Cette libération d’énergie a tout de même provoqué un déplacement de l’ensemble de l’île de Honshu d’environ 7 centimètres vers le nord-ouest sans provoquer de tsunami dans la mer du Japon. Peut-être qu’un événement tel que le GW 190521 mille voire un million de fois plus puissant au centre de notre galaxie aurait un effet sur la croute terrestre, ce qui a pu arriver dans un lointain passé, nul ne le sait, mais les observations réalisées avec les deux LIGO et le Virgo ont montré qu’il s’agissait d’un phénomène transitoire, tout redevenant normal quelques millisecondes plus tard. Finalement les ondes gravitationnelles et la gravitation elle-même ne peuvent être comprises que par des spécialistes, ce dont je ne suis pas du tout.

Note. J’ai soumis la première version de ce billet avant correction à Monsieur Thibault Damour (IHES), le meilleur spécialiste français des trous noirs, qui a eu l’amabilité de me répondre très rapidement, ce qui m’a conduit à corriger une grossière erreur de calcul qui m’avait échappé. Il est vivement remercié ici pour sa collaboration au sujet de ce modeste billet.

La grande extinction du Dévonien-Carbonifère : une nouvelle explication

Les géologues ont tenté d’expliquer l’extinction du Dévonien-Carbonifère par la disparition de la couche d’ozone entourant la Terre en raison d’un réchauffement brutal du climat mais les arguments avancés n’étaient pas vraiment étayés par des évidences scientifiques irréfutables. Cette extinction massive eut lieu il y a 350 millions d’années et l’hypothèse d’éruptions volcaniques massives fut également avancée. Cependant la difficulté consiste à trouver des traces d’un événement cataclysmique ayant provoqué cette extinction dans les couches géologiques car le remodelage de la croute terrestre a toujours été incessant. La palynologie ou étude des pollens, dans le cas présent fossiles, a montré que ces pollens présentaient des malformations témoins de dégradations sévères de l’environnement comme par exemple des dommages profonds dus à d’intenses radiations UV-B. Ce rayonnement UV-B intense favorisé par une disparition de la couche d’ozone aurait catalysé la formation de radicaux hypochlorite ClO ayant contribué à la disparition de toute vie à la surface de la Terre pendant plusieurs dizaines de milliers d’années, seules des espèces marines et quelques espèces terrestres souterraines auraient survécu.

La nouvelle hypothèse est l’explosion d’une supernova qui génère un puissant flux de rayons gamma, de rayons X, de neutrons et de particules ionisées et poussières atteignant la Terre longtemps après l’explosion elle-même puisque voyageant à des vitesses inférieures à celle de la lumière. Pour prouver que cette hypothèse n’est pas une vue de l’esprit les géophysiciens de l’Université d’Urbana-Champaigne dans l’Etat d’Illinois ont donc recherché la présence de radio-isotopes dans des couches géologiques correspondant à cette extinction du Dévonien-Carbonifère. Les candidats sont le Samarium-146, l’uranium-235 et le plutonium-244 contenus dans les poussières ayant atteint la Terre à la suite de cette explosion. Les géophysiciens ont donc trouvé un champ d’investigation passionnant consistant à trouver des couches géologiques présentant un rapport isotopique samarium-146/samarium-144 favorable, de l’ordre de 0,2, pour être expliqué par un événement cosmique. À cette échelle de temps l’incertitude de quelques centaines de milliers d’années est acceptable. Il reste à trouver un reste d’explosion de supernova dans l’environnement immédiat de la Terre, c’est-à-dire à moins de 50 à 100 années-lumière. Pour se faire une idée de la distance entre le soleil et l’étoile la plus proche, celle-ci est de 4,24 années-lumière et les géantes rouges instables les plus proches, Bételgeuse et Antarès se trouvent à 500-600 années-lumière du Soleil, trop éloignée pour son explosion efface toute trace de vie sur Terre. Elles n’ont pas encore explosé, il reste quelques espoirs …

Source : http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1072/pnas.2013774117

Aller séjourner quelques jours sur la Lune ? Pas pour moi !

Le Lunar Lander chinois Chang’E4 a effectué les premières mesures disponibles du taux de radiations au niveau du sol lunaire et c’est loin d’être rassurant. Outre les rayons cosmiques de haute énergie et les particules ionisées du vent solaire le sol émet également des photons gamma et des neutrons provenant de la collision des rayonnements cosmique et solaire avec la matière du sol lunaire. On ignore quel peut être l’effet à long terme – quelques jours ou quelques semaines – sur un être humain de ces rayonnements car leur nature est très largement distribuée entre des protons (noyaux d’hydrogène) des rayonnements alpha solaires (noyaux d’hélium) et d’autres éléments plus lourds et très énergétiques potentiellement dévastateurs. Les mesures ont été exprimées en Gray, c’est-à-dire en Joules par kilo. L’énergie est plus communément exprimée pour ces rayonnements en multiples d’électron-volt (eV).

Les détecteurs installés à bord du Chang’E4 donnent une mesure directe en Gray estimée par la pénétration du rayonnement global dans une série de cônes de silicium situés à l’extérieur du Lander (flèche rouge sur l’illustration) et connectés à l’entrée de photomultiplicateurs montés en coïncidence. Le corps humain n’étant pas constitué de 100 % de silicium les mesures obtenues permettent d’obtenir alors des Sievert (Sv ou Joule/kg de matière vivante). Le Lander est équipé de 5 paires de détecteurs afin d’obtenir une mesure précise de la pénétration des rayonnements et de leur énergie. Le Lander a ainsi envoyé à la Terre des résultats convertis ensuite en microSievert/heure, c’est-à-dire en langage plus compréhensible la dose de radiations reçue au niveau du Lander.

Les résultats des mesures sont les suivants. Pour les particules d’origine galactique et ionisées la dose équivalente est de 57 microSievert/heure à laquelle il faut ajouter 13 microSievert/heure de rayonnement neutre provenant du sol lunaire et du Soleil (rayons gamma et neutrons). Par jour de 24 heures (jour terrestre, le « jour » lunaire étant de 28 jours terrestres) le rayonnement total reçu est alors proche de 1700 microSieverts. Les rayonnements solaire et galactique arrivant sur le sol lunaire sont 2,6 fois plus élevés que celui reçu par l’extérieur de la station spatiale internationale (ISS) en raison du fait que l’ISS est en partie protégée des rayons cosmiques par les très hautes couches de l’atmosphère. De plus les rayonnements galactiques sont mal déviés lorsque le Soleil traverse une période de faible activité magnétique. Les mesures effectuées par le Chang’E4 sont donc dans la limite supérieure des doses pouvant être reçues par un être humain compte tenu du fait que la protection corporelle constituée par un scaphandre est incapable d’arrêter ces rayonnements. Les habitacles hypothétiquement transportés sur la Lune devront ainsi être impérativement enfouis sous d’épaisses couches de régolithe, la poussière recouvrant le sol lunaire … pas pour moi !

Source : ScienceAdvances du 28 septembre 2020

Devons-nous nous préoccuper de la chute de la température du plasma solaire ?

Le plasma solaire est issu des hautes couches de la couronne solaire. C’est un gaz essentiellement constitué de protons (noyaux de l’atome d’hydrogène), d’électrons et de particules alpha (noyaux d’hélium), donc de particules ionisées. Les éjections de cette matière ionisée suivent les lignes de force du champ magnétique solaire, et ce mouvement de particules chargées renforce ce champ magnétique qui s’étend dans tout l’espace interplanétaire entourant le Soleil car on peut le considérer comme un courant électrique dans un conducteur qui génère un champ magnétique autour de lui. Pour faire simple si vous reliez un fil électrique aux deux pôles d’une pile et que vous approchez une boussole de ce fil l’aiguille va dévier selon le sens du courant. Pour le plasma solaire c’est le même phénomène à des échelles immenses et ce plasma est la cause primaire des aurores boréales et australes par son interaction avec les lignes de force du champ magnétique terrestre selon un processus complexe qui n’est pas encore totalement clarifié, en particulier au niveau des transferts d’ions le long des lignes de force du champ magnétique terrestre. La température du plasma solaire dépend de la vitesse de propagation des particules ionisées le composant et de l’énergie de ces particules et donc de la pression du « vent » solaire. Ce paramètre particulier du plasma solaire est étudié et suivi en détail par un ensemble de satellites et de radars au sol qui permettent de connaître en temps réel la « météorologie» spatiale. Cette température du plasma solaire contribue à maintenir, outre le rayonnement infra-rouge (photons) une température favorable aux êtres vivants à la surface de la Terre et les variations de cette température, mesurées avec des instruments embarqués dans des satellites, donnent également une indication sur les variations du climat terrestre.

Alors qu’il faut environ 8 minutes pour un photon provenant du Soleil pour atteindre la Terre les particules énumérées ci-dessus atteignent le champ magnétique terrestre après quelques 4 jours de traversée dans l’espace selon leur masse et leur vitesse. Depuis la fin des années 1960, date à laquelle les observations satellitaires se sont développées, ces observations ont pu être clairement corrélées à la présence d’un optimum climatique terrestre, de 1970 à 1995, les oscillations de cette température entre 50000 et 200000 degrés K suivant les cycles solaires :

Depuis 1995 la surface solaire coronale se refroidit lentement et les géophysiciens s’accordent pour affirmer que la température de la surface de la Terre va suivre la même évolution. Plus significatif encore est l’affaiblissement progressif du rapport entre les particules alpha et les protons constituant le plasma solaire, un autre paramètre permettant de mesurer l’activité magnétique du Soleil mais aussi la température du plasma solaire puisque les particules alpha sont 4 fois plus lourdes (deux protons et deux neutrons) que les protons (noyau de l’atome d’hydrogène). Il faut donc très schématiquement 4 fois plus d’énergie pour que ces particules alpha soient éjectées dans l’espace depuis la couronne solaire à la même vitesse que celle d’un proton :

La majorité des mesures utilisées pour les tracés des diagrammes reproduits dans ce billet proviennent du Goddard Space Flight Center et disponibles au public en temps réel ( https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow_min.html ). Il est possible ainsi de tracer la courbe de variation de la pression du vent solaire au niveau du dôme d’interaction avec le champ magnétique terrestre exprimée en unités arbitraires moyennées sur 27 jours, c’est tout ce qui est disponible pour le public. Encore une fois on constate que cette pression diminue depuis 1990 :

Cette pression a même atteint la plus basse valeur depuis le début des observations satellitaires (1967). En outre les données satellitaires permettent d’estimer indirectement les variations de l’intensité du champ magnétique terrestre à l’aide de l’indice Kp qui à son tour permet de visualiser la variation de l’intensité du champ magnétique solaire par son effet sur celui de la Terre, bien que cet effet soit complexe car il fait aussi intervenir le vent ou plasma solaire :

Dans cette illustration l’indice Kp est exprimé en centièmes, cet indice ayant une valeur comprise entre 0 et 9, indice qui permet en outre de prédire la fréquence des aurores boréales et australes hors éruptions coronales massives. À nouveau et ce depuis 2006 l’indice Kp s’est effondré. Traduit en nanoTeslas, l’indice ap, directement dérivé de l’indice Kp est une estimation de la variation du champ magnétique terrestre sous l’influence du champ magnétique solaire. Il a atteint en ce début d’année 2020 un plus bas depuis le début des observations satellitaires :

La résultante de toutes ces observations se traduit dans les faits s’il est permis de s’exprimer ainsi en comparant l’ensemble des données météorologiques (GFS, Global Forecast Systems) issues des centres nationaux de prédiction météorologiques, NCEPs (acronyme de National Centers for Environmental Prediction) à la moyenne de l’ensemble des données relatives aux pressions atmosphériques, comparaison qui fait ressortir des tendances générales. Toutes les données sont accessibles au public ( http://www.karstenhaustein.com/climate ). Pour l’année 2020, Le Docteur Karsten Haustein de l’Université d’Oxford a collecté toutes ces données jusqu’au 28 août 2020 et la tendance générale est une chute des températures, que ce soit dans l’hémisphère nord (NH) ou l’hémisphère sud (SH) :

Il serait imprudent d’affirmer que la chute spectaculaire des températures dans l’hémisphère sud au cours du mois d’août (équivalent du mois de février dans l’hémisphère nord) soit directement liée à tous les paramètres de la météorologie spatiale exposés ci-dessus. Affirmer que l’on est déjà entré dans un nouveau petit âge glaciaire serait donc tout aussi prématuré … mais il est permis d’avoir quelques doutes.

Sources : diverses dont le site d’Antony Watts

Les voyages vers la Lune ou Mars compromis pour les années à venir

Les richissimes privilégiés qui ont déjà payé une réservation pour un voyage vers la planète Mars ou encore plus modestement vers la Lune en auront pour leur argent : aucun voyage de longue durée dans l’espace proche ne sera possible avant 2050, c’est-à-dire au plus haut de l’activité solaire du cycle #26. En effet, alors que le cycle solaire #24 se termine, toutes les prévisions des astrophysiciens au sujet de l’intensité du cycle solaire #25 à suivre sont pessimistes : au mieux ce cycle d’activité solaire atteindra en intensité celle du cycle #24. Il faut remonter au tout début du XIXe siècle pour retrouver une activité solaire aussi étriquée, cette période climatique que l’on a coutume d’appeler « le petit âge glaciaire ». Sans activité magnétique solaire soutenue les voyages de longue durée dans l’espace peuvent avoir des conséquences fatales sur les êtres humains embarqués. Je me permets d’exprimer ici mon admiration pour le courage des personnels se trouvant dans la station spatiale internationale en ce moment : ils sont irradiés en permanence par des rayons cosmiques d’origine galactique de très haute énergie que le champ magnétique solaire est incapable de dévier, ceci depuis la fin du cycle solaire #23 :

Ce que les astrophysiciens ont fait pour tenter d’affiner leurs prédictions, outre l’utilisation du modèle prédictif du Docteur Valentina Zharkova dont j’ai souvent mentionné les travaux sur ce blog, a été tout simplement de comparer les cycles solaires contemporains et ceux du minimum de Dalton, cycles solaires #5 et #6 (1790-1830), et du minimum de Gleissberg, cycles solaires #12 et #13 (1890-1920) partant du principe qu’il existe des variations des cycles solaires suivant des périodicités d’environ un siècle. Le cycle solaire #25 pourrait ressembler au cycle #6 ou au cycle #13 ou encore à un intermédiaire entre ces deux cycles. Les conséquences sont simples : 1) une diminution notable de la vitesse du vent solaire qui contribue à la déviation des rayons cosmiques selon un processus encore mal connu et une diminution durable du champ magnétique solaire jusqu’à 4,5 nT (nanoTesla) alors qu’il avait atteint au cours des années 1980-2000 des valeurs proches de 8 nT. Et 2) quant aux radiations provenant des rayons cosmiques galactiques telles que mesurées par le téléscope dédié à ce rayonnement se trouvant dans le satellite lunaire Lunar Reconnaissance Orbiter elles dépasseront largement les valeurs permises autorisées considérées comme non dangereuses de 620 mSv (milli Sievert) pour un homme et 470 mSv pour une femme. La limite de dangerosité est ici considérée comme ne dépassant pas une incidence de cancers de plus de 3 % par rapport à la moyenne statistique. Donc à moins d’inclure dans un vaisseau spatial à destination de la Lune ou de Mars un protection lourde et encombrante, tout voyage vers ces deux astres serait suicidaire.

Qu’en sera-t-il pour le climat terrestre ? Les tenants de l’effet direct ou indirect de l’activité solaire sur le climat de la Terre ne peuvent qu’être terrifiés par le refroidissement généralisé à venir du climat d’autant plus que les prévisions pour les cycles solaires suivants ne trouvent un regain d’optimisme qu’au delà des années 2050. Le Docteur F. Rahmanifard ne s’est pas hasardée à prédire quoi que ce soit pour le cycle solaire #26 mais si l’activité solaire venait à s’effondrer durablement comme ce fut le cas pour le minimum de Maunder alors l’humanité, hors régions intertropicales, disparaîtrait, tout simplement.

Source : F. Rahmanifard et al. doi : 10.1029/2019SW002428

Un trou noir à « proximité » de notre Soleil !

Le diamètre de la galaxie dans laquelle se trouve notre Soleil est d’environ 100000 années-lumière et ce Soleil se trouve à environ 27000 années-lumière du centre de la galaxie. Ce centre gravitationnel semble être constitué d’une multitude de trous noirs représentés par l’illustration ci-dessus qui est en réalité une déformation de l’espace-temps provoquée par le champ gravitationnel intense du trou noir car il est par définition invisible puisque aucun photon ne peut en échapper en raison de ce champ gravitationnel très élevé. Cependant les trous noirs sont animés d’un mouvement de rotation, comme notre Soleil, et émettent des jets de photons de très haute énergie depuis chacune des extrémités de leur axe de rotation. Pour détecter de tels jets de photons encore faut-il que ces émissions soient orientées vers la Terre.

Malgré toutes ces contraintes il est possible de déduire la présence d’un trou noir par les conséquences induites par son champ gravitationnel très puissant et c’est ce que les astrophysiciens de l’observatoire austral européen (ESO) ont réussi à obtenir avec une télescope de 2,2 m de diamètre en observant un système d’étoiles binaires justement situé dans la constellation du Télescope. Ce système binaire appelé HR6819 est constitué de deux étoiles visibles à l’oeil nu par temps clair et il est distant de seulement 1000 années-lumière de notre Terre. En étudiant très précisément le mouvement des deux étoiles visibles les astrophysiciens ont réalisé qu’ils étaient confrontés à un système ternaire dont l’un des partenaires était invisible, c’est-à-dire rien d’autre qu’un trou noir.

La masse de ce trou noir a pu être calculée comme étant égale à 4 fois celle du Soleil. L’une des étoiles visibles d’une masse proche de 5 fois celle du Soleil parcourt son orbite autour du trou noir en 40 jours et l’autre étoile tourne autour de cet ensemble à une distance beaucoup plus grande. Ce système ternaire est ce qui reste de l’explosion d’une étoile qui eut lieu il y a 15 millions d’années. Cette évaluation a pu être réalisée en analysant les données spectroscopiques des deux étoiles visibles.

Les physiciens ont déduit de leur étude qu’il existait dans notre galaxie des centaines de milliers, peut-être des millions, de trous noirs pouvant peut-être expliquer ce que les théoriciens de l’astrophysique appellent la matière sombre ou matière noire.

Source : Astronomy & Astrophysics, doi : 10.1051/0004-6361/203038020

illustrations : ESO

La constante de Hubble-Lemaître : un piège pour les astrophysiciens ?

Je ne suis pas du tout astrophysicien mais j’ai compris comment ces spécialistes ont découvert que l’Univers était en expansion et que la vitesse de cette expansion était proportionnelle à l’éloignement des objets lumineux observés. La constante de Hubble s’exprime en 1/seconde puisque, multipliée par la distance à laquelle se trouve une galaxie de la Terre, mais aussi de tout autre point dans l’espace, elle donne cette vitesse d’éloignement en km/s. Les astrophysiciens n’utilisent pas le km comme unité de distance mais le méga-parsec (Mpc). Une galaxie distante de 1 Mpc se trouve éloignée de 30 milliards de milliards de km. Pour avoir les idées claires au sujet de ces distances celle que parcourt un photon lumineux en une année – l’année-lumière – n’est « que » de 9460 milliards de km ! En d’autres termes un Mpc est égal à 3,2 millions d’années-lumière. Ça a l’air de faire beaucoup mais compte tenu de la dimension de l’Univers c’est rien du tout puisque plus les instruments d’observation sont sophistiqués et sensibles plus les confins de l’Univers sont repoussés. Néanmoins il est très difficile pour l’esprit humain de se faire une idée compréhensible de ces distances énormes. Si la constante de Hubble-Lemaître est égale à 70 cela signifie que l’Univers est en expansion à une vitesse de 70 km par seconde et par Megaparsec, en d’autres termes encore, une galaxie se trouvant éloignée de nous de 1 Mpc, soit 3,2 millions d’années-lumière s’éloignera avec une vitesse de 70 km/seconde … Et une galaxie éloignée de 3,2 milliards d’années-lumière de 70000 km/seconde ? Qui a la réponse à cette question ?

Les astrophysiciens, afin d’expliquer cette expansion inexplicable de l’Univers puisque théoriquement, selon la loi de la gravité, c’est-à-dire l’espace-temps, cet espace-temps n’a aucune raison de « gonfler » et de provoquer cette fuite apparente de tous les objets, alors les astrophysiciens ont inventé la possibilité de l’existance d’une matière noire pour tenter de comprendre pourquoi certaines observations n’étaient pas conformes à la théorie de la relativité générale, en particulier en observant et en analysant les lentilles gravitationnelles (illustration : amas de galaxies Abell370, NASA). Il s’agit de la déviation des rayons lumineux provenant d’un ou plusieurs objets distants par une concentration de matière plus proche sous forme d’amas de galaxies. Les photons ne sont pas déviés par le champ gravitationnel de l’amas mais c’est l’espace-temps qui est déformé par ce champ et les photons (qui n’ont pas de masse) suivent cette déformation. Les lentilles gravitationnelles ont été prédites par Einstein en 1915 et font toujours l’objet de controverses relatives à la masse « manquante » des amas de galaxies les provoquant. Et par définition il est difficile d’observer cette matière noire puisqu’elle est invisible. Si la matière noire n’existe pas alors pour expliquer l’inexplicable des lentilles gravitationnelles avec la théorie de la relativité générale il y a une erreur dans les équations d’Einstein.

En effet, les astrophysiciens ont calculé quelle devait être la masse de l’amas Abell370 pour provoquer les images déformées des objets lumineux – également des galaxies – se trouvant loin derrière cet amas. Ils en ont conclu que la masse totale de tous les objets constituant cet amas en se limitant à leur lumière émise n’était pas suffisante pour expliquer l’ampleur de l’effet de la lentille gravitationnelle. C’est ainsi qu’apparut le concept de matière noire. Selon des calculs auxquels je ne comprends strictement rien la matière noire entrerait pour plus des deux tiers de toute la masse de l’univers …

Ça se complique encore car l’expansion de l’univers ne peut pas être bien comprise si on n’introduit pas un autre concept, celui de l’énergie noire, pour expliquer pourquoi l’Univers est en expansion et de plus en plus en expansion en ce qui concerne les objets observables les plus éloignés : plus ils sont éloignés plus ils s’éloignent rapidement, donc quelque chose repousse tous ces objets – plus précisément des galaxies – et fait en sorte qu’ils semblent s’éloigner les uns des autres du point de vue du Terrien qui se trouve lui-même dans une une galaxie quelconque quelque part dans l’Univers. Après que Hubble et Lemaître, un curé belge, eurent découvert l’expansion de l’Univers, apparut la théorie du « Big-Bang », l’origine de l’Univers. Il s’agit d’une théorie basée sur le bruit de fond cosmologique (illustration) dans une plage de longueur d’onde comprise entre 5 et 6 centimètres moins un (1/cm) une sorte de réminiscence du Big-Bang. L’observation de ce bruit de fond s’explique par une singularité mathématique qui débouche sur la théorie du Big-Bang. Or la théorie est en désaccord avec la relativité générale et d’ailleurs Einstein n’y croyait pas !

La lourde tache des astrophysiciens sera donc d’expliquer quelles sont les véritables natures de la matière noire et de l’énergie noire et s’ils ne trouvent pas d’explication ils devront revoir leur copie, c’est-à-dire apporter une correction à la théorie de la relativité générale. J’avoue humblement que je n’y comprends pas grand chose mais une question m’a toujours hanté puisqu’elle est restée sans réponse. J’ai participé il y a une trentaine d’années en tant qu’orateur invité à un petit séminaire scientifique pluri-disciplinaire organisé par la ville de Lyon qui eut lieu dans les salons VIP de l’aéroport nouvellement construit de Lyon-St-Exupery. Un astrophysicien fit une brève communication sur l’expansion de l’Univers. Je ne suis pas arrivé à me souvenir quel avait été l’objet de mon intervention orale de 10 minutes. Lors du petit cocktail qui suivit cette réunion inter-scientifique conviviale j’eus une brève discussion avec cet astrophysicien et je lui posais la question embarrassante suivante : où se trouvent aujourd’hui les objets lumineux dont les photons émis ont parcouru 13 milliards d’années-lumière pour parvenir jusqu’à nous ? Par définition ces objets se trouvaient là où on les observe aujourd’hui il y a déjà 13 milliards d’années. Puisque l’Univers est en expansion alors où ont-ils disparu ? Se trouvent-ils aujourd’hui à 26 milliards d’années-lumière de nous ou moins loin ? Auquel cas on ne peut pas les observer puisqu’ils sont trop éloignés. Certains objets s’éloignent en effet les uns des autres à des vitesses pouvant atteindre 7000 km/seconde dans toutes les directions. Cet astrophysicien n’a pas trouvé d’argument pour me répondre. Croyait-il vraiment à toutes ces théories de plus en plus compliquées pour donner une explication à toutes ces observations qui sont toujours inexplicables 30 ans plus tard ? Je m’interroge toujours sur la vraie raison qui a obligé cet astrophysicien à ne pas répondre à ma question. Il est parfaitement compréhensible que ce scientifique ait éprouvé quelque malaise. En effet, si l’objet dont la lumière émise a voyagé pendant 13 milliards d’années-lumière était là où on l’oberve aujourd’hui, alors quand eut lieu le Big-Bang puisque l’âge de l’Univers est considéré comme étant précisément 13 milliards d’années ? Encore une question sans réponse.

Inspiré d’un article paru sur le Guardian, illustrations : fond cosmologique diffus et amas de galaxies Abell370 dans la constellation de la Baleine.