Des Israéliens détectent des particules liées à la naissance d’étoiles à 400 années-lumière
À l'aide du télescope spatial James Webb de la NASA, les chercheurs du Technion-Israel Institute of Technology ont mesuré les rayons cosmiques dans la lointaine nébuleuse Barnard 68 et ouvert « un nouveau domaine de recherche en astrophysique »
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C’est un progrès majeur : des chercheurs israéliens sont parvenus à mesurer des particules invisibles – des rayons cosmiques – à l’intérieur d’un nuage de poussière situé à 400 années-lumière de la Terre.
L’étude évaluée par des pairs qui a donné lieu à la détection de ces particules jusque-là inobservées pourrait permettre de mieux comprendre de quelle façon les étoiles naissent dans la galaxie.
« Ces rayons cosmiques sont cruciaux pour notre compréhension du processus de formation des étoiles », explique au Times of Israel le chercheur principal, le professeur Shmuel Bialy, membre de la faculté de physique du Technion-Israel Institute of Technology.
« Cela nous ouvre la porte à un tout nouveau domaine de recherche en astrophysique. »
L’équipe internationale de Bialy a utilisé des observations du télescope spatial James Webb de la NASA pour mesurer le rayonnement infrarouge provenant des rayons cosmiques ayant pénétré la gigantesque nébuleuse Barnard 68, dans la lointaine constellation d’Ophiuchus.
Les résultats de leurs recherches ont été publiées dans Nature Astronomy ce mercredi.
« Personne ne croyait qu’il était possible d’observer ces rayons cosmiques car ils ne l’avaient encore jamais été », souligne Bialy. « Nous avons prouvé que c’était possible. Nous sommes les premiers à les avoir observés, avec un signal fort et clair. »
Les rayons cosmiques : des « particules à haute énergie »
« C’est important pour les Terriens d’étudier la formation des étoiles », ajoute Amit Chemke, 27 ans, étudiant en master dans le groupe de Bialy et co-auteur de l’article. « Notre Soleil s’est formé il y a de cela des milliards d’années, mais comment se forment les autres soleils ? »
Il explique que le terme de « rayons cosmiques » est « déroutant » car ces rayons ne sont ni vraiment des rayons, ni vraiment liés à la lumière.
Ils ont été découverts par Victor F. Hess en 1912, qui les a ainsi baptisés, et le nom est resté.
« Ce sont en réalité des particules de matière — protons, électrons et noyaux atomiques », rectifie Chemke. « Ces particules à haute énergie bourdonnent autour de la galaxie » presque à la vitesse de la lumière.
« Elles sont pleines d’énergie et heurtent des nuages de poussière, ou nébuleuses », ajoute-t-il.
D’immenses poussières et des nuages spatiaux entre les étoiles
Une nébuleuse est un immense nuage, dans l’espace, situé entre des étoiles. La galaxie est remplie de ces immenses nuages, qui contiennent de la poussière et des gaz, notamment de l’hydrogène et de l’hélium.
« Le Soleil est comme un grain de sel comparé à ces nuages », dit Bialy.
Certaines nébuleuses naissent des gaz et poussières émis par l’explosion d’étoiles en fin de vie, d’autres là où de nouvelles étoiles commencent à se former.
Lorsque les particules volantes de ces rayons cosmiques frappent une nébuleuse, elles peuvent y « pénétrer complètement », précise Chemke.
Les particules font vibrer les molécules d’hydrogène à l’intérieur de la nébuleuse, ce qui est à l’origine de l’émission d’un rayonnement infrarouge – celui-là même que les chercheurs ont mesuré.
À l’intérieur de la nébuleuse, les rayons cosmiques déclenchent des processus chimiques, avec notamment la création de nouvelles molécules telles que l’eau, l’ammoniac ou le méthanol.
« Les rayons cosmiques ont un effet sur le processus de formation des étoiles », souligne Chemke.
« On s’est dit, essayons. Pourquoi pas ? »
Cela fait des dizaines d’années que l’on observe le rayonnement infrarouge provenant d’étoiles massives et chaudes, ajoute Bialy. « Ces étoiles chaudes émettent un rayonnement UV intense dans des endroits comme la nébuleuse d’Orion, par exemple. »
Mais les rayons cosmiques des nébuleuses sont beaucoup plus faibles, ajoute-t-il et selon les scientifiques, ils n’étaient pas assez puissants pour être observés.
Pendant la pandémie de COVID-19, Bialy a travaillé sur une théorie existant depuis des dizaines d’années concernant les rayonnements émis par les rayons cosmiques dans les nébuleuses.
« J’ai continué parce que j’aime les équations et les calculs », confie-t-il. « Je pensais que même si on ne pouvait in fine rien observer, je me serais bien amusé. »
Enfant, déjà, Bialy adorait la physique et l’astronomie.
Né en Russie, il s’est installé en Israël lorsque ses parents ont fait leur Alyah. Selon eux, sa première phrase en russe a été, une nuit, « Regarde, regarde, une étoile ! »
Lors de son postdoctorat au Harvard Smithsonian Center for Astrophysics à Cambridge, Bialy s’est lié d’amitié avec l’astronome italien Sirio Belli, spécialiste de l’observation des rayonnements infrarouges.
Bialy lui a partagé ses calculs. « On s’est dit, essayons. Même si les gens disent que nous ne pourrons jamais les observer, pourquoi pas ? » rappelle-t-il.
Les deux scientifiques ont donc installé un télescope dans un observatoire en Arizona, pour y observer des nébuleuses pendant « 20 heures – un temps d’exposition très long. Et devinez quoi ? Nous n’avons rien vu. »
Ils ont ensuite demandé à utiliser le télescope spatial James Webb de la NASA, « un instrument bien plus sensible que tout ce qui peut exister sur Terre ».
Le télescope, lancé en décembre 2021, orbite autour du Soleil à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre.
Bialy rappelle que la NASA ne répond favorablement qu’à une demande d’utilisation du télescope sur 10.
« Au bout de quelques tentatives, nous avons obtenu l’autorisation », souligne Bialy. « Nous avons pu travailler pendant huit heures avec le télescope spatial James Webb. »
Près de 2 millions de fois plus grande que le Soleil, la nébuleuse Barnard 68 est froide et dense, avec des températures d’environ 10 à 20 Kelvin, soit quelques degrés à peine au-dessus du zéro absolu. Selon les prévisions, elle disparaitra dans 200 000 ans, ce qui donnera naissance à une nouvelle étoile.
Mais en attendant, les chercheurs ont pu détecter le rayonnement infrarouge émis par les molécules d’hydrogène vibrantes à l’intérieur de la nébuleuse.
Selon David Neufeld, professeur de physique et d’astronomie à l’université Johns Hopkins, qui a lui aussi pris part à cette étude, les données issues du télescope de la NASA « ont ouvert une toute nouvelle fenêtre sur l’astrophysique des rayons cosmiques ».
L’équipe de recherche vient de recevoir 50 heures de plus de données issues de leur observation – des données qu’il va leur falloir analyser.
« Cela va nous permettre de mesurer l’intensité des rayons cosmiques dans de nombreux endroits de la galaxie », conclut Bialy. « Et dans quelques années, on devrait pouvoir aller plus loin, peut-être à plusieurs dizaines de nébuleuses autour de nous, pour mesurer la distribution des rayons cosmiques dans l’espace galactique. »
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