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Scruter l’Univers
dans l’infrarouge et le submillimétrique

Un des vecteurs très efficace de l’énergie infrarouge est la poussière interstellaire. Les grains de poussière sont des petits solides très froids. Ils ont des tailles comparables à la longueur d’onde de la lumière visible, soit quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres. Ils ne représentent que 1% de la masse du gaz interstellaire. Mais cette petite fraction est très importante parce que ces grains interagissent fortement avec la lumière.


L'astronomie infrarouge [01'48]
Vincent Minier, astrophysicien au CEA

Les grains de poussière, vecteurs de l'énergie infrarouge

Les grains de poussière absorbent et diffusent la lumière des astres très efficacement comme une petite quantité de fumée qui peut rendre une salle très sombre. Chauffés par leur environnement, ils émettent de l’énergie dans l’infrarouge et le submillimétrique. Plus la longueur d’onde est grande, plus on se décale vers l’infrarouge lointain, moins l’interaction avec les grains de poussière est importante, et plus la lumière a la possibilité de s’échapper de l’intérieur du nuage où l’objet céleste lumineux est dissimulé. La lumière infrarouge étant moins affectée par ces effets, surtout aux grandes longueurs d’onde, observer dans l’infrarouge revient à sonder ces nuages de poussière.

Image au microscope électronique d’un aggrégat de grains de poussière interplanétaires. Crédit : Don Brownlee and Elmar Jessberger Image au microscope électronique d’un aggrégat de grains de poussière interplanétaires. Chaque grain est une taille de moins d’un micromètre.
Crédit : Don Brownlee and Elmar Jessberger, License: http:// creativecommons.org

L’infrarouge lève le voile de poussière des galaxies

Les observations de l’Univers dans le domaine de l’infrarouge et du submillimétrique s’attaquent principalement aux mystères de la formation des étoiles et de l’évolution de la vie des galaxies. Parce que les étoiles naissent enfouies dans des cocons opaques de gaz et de poussière, elle sont totalement invisibles pendant leur gestation. Les détecteurs de lumière infrarouge permettent de sonder ces mondes enfouis qu'on ne voit pas avec le télescope spatial Hubble. La lumière visible d’une galaxie, par exemple, est dominée par l’éclat des étoiles massives. La poussière y apparaît comme des bandes sombres. Ces bandes sombres sont d’ailleurs visibles à l’œil nu à travers la Voie Lactée lors d’une belle nuit. Quand on se décale vers l’infrarouge lointain, ces bandes opaques de poussière deviennent très brillantes et dominent l’éclat de la galaxie. Les étoiles massives déjà sorties de leur cocon sont toujours distinguables. Mais d’autres étoiles encore enfouies sortent dans les bras spiraux. L’astronomie infrarouge permet ainsi une véritable étude démographique de toutes les populations d’étoiles à venir dans une galaxie, de la gestation à la naissance. Ces observations contribuent également à la compréhension du milieu interstellaire des galaxies qui gît entre les étoiles et qui est mélangé avec la poussière. Enfin ces techniques d’observation permettent de sonder l’Univers lointain et plus jeune (5 milliards d’années en arrière) pour comprendre comment la formation des étoiles au sein d’une galaxie évolue au cours du temps.

Une galaxie vue en lumière optique et ultra-violet. Crédit : Hubble & Spitzer space telescopes – NASA La même galaxie vue dans l’infrarouge. Crédit : Hubble & Spitzer space telescopes – NASA
À GAUCHE - Une galaxie vue en lumière optique et ultraviolet . L’émission des étoiles domine largement sur le fond diffus.
À DROITE - La même galaxie vue dans l’infrarouge. L’émission des grains de poussière domine. Les étoiles massives déjà sorties de leur cocon sont toujours distinguables. Mais d’autres étoiles encore enfouies sortent dans les bras spiraux.
Crédit : Hubble & Spitzer space telescopes – NASA

Le spectre d’énergie infrarouge des étoiles et des galaxies

La lumière émise par les grains de poussière suit généralement une loi dite de corps noir qui peut être modulée par une autre fonction qu’on appelle l’émissivité. En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. L’adjectif «noir» signifie ici que l'objet lui-même absorbe toute la lumière extérieure qui tomberait sur lui, et ne reflète aucune radiation. La seule radiation provenant du corps noir est la radiation thermique, ne dépendant que de la température du corps. En mesurant l’énergie émise par ces grains de poussière dans l’infrarouge lointain et submillimétrique, on peut tracer la courbe de ce corps noir. On appelle cette courbe une distribution d’énergie spectrale. La courbe passe par un maximum dont la valeur dépend directement la température du corps noir. L’aire sous cette courbe produit une estimation de la luminosité (la puissance lumineuse) de l’objet enfoui.

La poussière interstellaire n’est pas un corps noir idéal. La profondeur optique du nuage de poussière modifie la distribution spectrale. Les astronomes doivent déduire la température de la poussière à l’aide d’outils informatiques. Cette méthode est néanmoins très impressionnante car à partir d’un élément qui représente 1% de la masse de la matière environnant, on déduit la luminosité de l'objet enfoui, la température et la masse de son cocoon de poussière. Pour les galaxies lointaines, la distribution d’énergie ainsi mesurée est pour l’ensemble de la galaxie. Elle produit des informations sur le taux de formation des étoiles en fonction du redshift lien vers pg R2 .

Courbes de corps noirs en fonction de la température Courbes de corps noir en fonction de la température. Dans le milieu interstellaire, ces grains de poussière absorbent le rayonnement ambiant. Ils émettent ensuite de l’énergie dans l’infrarouge. Plus le grain est froid, plus le maximum de l’énergie qu’il rediffuse se décale vers l’infrarouge submillimétrique.
Crédit : CEA / V. Minier

Chiffres clés :
InfraRouge

(Infra du latin, en deçà du)
  • Vitesse de la lumière :
    • 300 millions de m/s
    • 300 000 km/s
    • 1 milliard de km/h
  • L'infrarouge pour les astronomes :
    • L'infrarouge proche
    de 0,7 à 5 µm
    • L'infrarouge moyen
    de 5 à 30 µm
    • L'infrarouge lointain
    de 40 à 100 µm
    • L'infrarouge submillimétrique
    de 100 à 870 µm
  •  
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