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n° 108 avril-mai 2012
Dossier | Astrophysique

Les surprises d’un univers
vu aux rayons X

L’Université de Genève, grâce à son centre ISDC, Data Centre for Astrophysics, attaché à l’observatoire est à la pointe de l’astrophysique des hautes énergies. Elle est aujourd’hui impliquée dans une dizaine de projets internationaux

Depuis une quinzaine d’années, l’astrophysique des hautes énergies est en plein essor. Ceux qui la pratiquent sont des habitués de termes exotiques tels que rayons X «durs», rayons gamma, rayons cosmiques, neutrinos, trous noirs supermassifs, étoiles à neutrons, sursauts gamma, matière et énergie noires, ondes gravitationnelles, etc. L’Université de Genève n’est pas absente de cet effort scientifique international. Elle y participe même très activement. L’ISDC (dont l’acronyme original est INTEGRAL Science Data Centre) abrite en effet depuis 1996, sur le site d’Ecogia à Versoix, le centre de récolte et de traitement des données fournies par le satellite INTEGRAL. Il s’agit d’un grand instrument, mis en orbite en 2002 par l’ESA, totalement dédié à l’étude du rayonnement électromagnétique de haute énergie issu des événements les plus cataclysmiques que connaisse l’univers. Forts de cette première expérience, les astrophysiciens genevois sont aujourd’hui impliqués dans plus d’une dizaine d’autres projets destinés à pénétrer quelques-uns des secrets les mieux gardés concernant la structure et les composants de l’univers. Rencontre avec Thierry Courvoisier, professeur au Département d’astronomie de la Faculté des sciences et directeur de l’ISDC.

Il y a une trentaine d’années, l’astrophysique des hautes énergies était encore un domaine relativement confidentiel. Aujourd’hui, il draine des milliards de francs dans le cadre de gigantesques projets scientifiques. Comment cette transformation s’est-elle opérée?

Thierry Courvoisier: Elle a été rendue possible grâce à une série d’avancées effectuées depuis les années 1960 et qui ont fondamentalement remis en question la manière dont on envisageait la nature et l’évolution de l’univers. L’une d’entre elles concerne les rayons cosmiques. L’existence de cette pluie de particules et de noyaux atomiques qui s’abat sur la Terre est connue depuis un siècle exactement, puisqu’elle a été découverte en 1912. C’est un phénomène qui est longtemps resté mystérieux. Puis on s’est progressivement rendu compte que les particules provenaient de l’extérieur du système solaire, voire de l’extérieur de notre galaxie, la Voie lactée. Ensuite, après des décennies d’observations, les mesures sont devenues beaucoup plus précises, mais les mystères se sont épaissis. On s’est ainsi aperçu, au cours des années 1990, qu’il existe des rayons cosmiques mobilisant des énergies considérables. Une seule de ces particules peut en effet véhiculer une énergie comparable à celle d’une balle de tennis bien servie. Or, personne ne comprend comment il est possible de concentrer autant d’énergie dans un corps si petit. Les scientifiques sont pour le moment incapables d’avancer une théorie capable de fournir une explication quant à la source de ces particules ou aux processus d’accélération phénoménale qui sont en jeu.

Comment peut-on repérer ce genre de phénomène?

Les particules qui composent ces rayons sont filtrées par la haute atmosphère. En interagissant avec les molécules de l’air, elles produisent des gerbes de particules secondaires dont le produit parvient jusqu’au sol. C’est à partir de ces éléments finaux que l’on peut reconstruire le tout. Cependant, ce genre de phénomène est très rare – les plus énergétiques surviennent environ une fois par kilomètre carré et par siècle – et donc difficile à observer.

Quelles autres avancées ont eu lieu dans le domaine de l’astronomie des hautes énergies?

On peut citer la découverte de nouveaux objets célestes comme les sursauts gamma, qui sont d’énormes et brèves émissions de rayons gamma (c’est-à-dire des photons encore plus énergétiques que les rayons X) nous parvenant régulièrement depuis un point aléatoire du ciel. Elles proviennent de gigantesques explosions qui ont lieu dans d’autres galaxies que la nôtre mais qui demeurent néanmoins facilement détectables depuis l’orbite de la Terre. La première mesure fortuite d’un sursaut gamma par des satellites américains en 1967 est le résultat d’observations qui avaient pour but la détection d’éventuelles explosions nucléaires soviétiques. Il a néanmoins fallu attendre les années 1990 pour que l’étude de ces phénomènes commence véritablement. Nous avons aujourd’hui une idée de la nature des événements qui sont à l’origine de ces sursauts (explosion d’étoiles massives ou collision de deux corps très massifs comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs) mais ils demeurent largement mystérieux. En plus des sursauts, les astrophysiciens se sont intéressés de plus en plus à des objets exotiques émetteurs de rayons X et gamma comme les trous noirs supermassifs, des systèmes binaires comprenant des étoiles à neutrons et des trous noirs, etc. Parallèlement, ils ont également découvert récemment que la structure de l’univers n’était pas celle que l’on pensait jusque-là.

Comment cela?

Il s’est avéré que non seulement la taille de l’univers grandit mais qu’en plus cette croissance, loin de se stabiliser, a plutôt tendance à accélérer. Cette observation a été réalisée grâce à l’étude de supernovae et a été publiée en 1998. Elle a valu le Prix Nobel de physique 2011 aux cosmologistes Saul Perlmutter, Brian Schmidt et Adam Riess et a poussé les physiciens à postuler l’existence d’une énergie noire responsable de cette inflation inattendue et dont la nature exacte nous échappe pour l’instant. Cette énergie noire vient s’ajouter à la matière noire, tout aussi mystérieuse, qui a été introduite pour expliquer le mouvement des galaxies les unes par rapport aux autres tel qu’on l'observe depuis la Terre. Ces deux grandeurs sont d’ailleurs au coeur de la future mission Euclide de l’Agence spatiale européenne (ESA) et à laquelle participe un groupe de l’ISDC (lire en page 20). Avec des sources de rayonnement X ou gamma inconnues il y a encore peu, des sursauts gamma et des trous noirs pleins de mystères et un univers rempli de matière et d’énergie noire dont on ne sait presque rien, l’astrophysique dispose aujourd’hui de tous les ingrédients pour rester une science des plus passionnantes.

Dans quelle mesure l’Observatoire de Genève a-t-il participé à ce renouvellement des connaissances?

L’Université a commencé à s’intéresser de plus près à l’astrophysique des hautes énergies dans les années 1980. Marcel Golay, directeur de l’Observatoire entre 1956 et 1992, a alors pris conscience qu’il existait des développements possibles en astronomie dans des champs d’études très différents de ceux dans lesquels Genève avait de l’expertise jusquelà (l’astronomie stellaire et galactique). C’est dans cette perspective qu’il m’a proposé de venir à Genève pour travailler sur les noyaux actifs des galaxies.

De quoi s’agit-il?

Ces noyaux actifs sont formés en leur centre de trous noirs supermassifs (plus d’un million de masses solaires) dans lesquels une quantité phénoménale de masse tombe sans cesse. Cette chute de matière libère une énorme quantité d’énergie qui est émise sous forme de rayonnement. L’objectif principal de mes recherches est de comprendre comment ce processus fonctionne. Et ce questionnement va de pair avec un intérêt pour d’autres sujets de l’astrophysique.

Pourquoi?

Les objets que nous étudions émettent à travers l’ensemble du spectre électromagnétique. Ils génèrent des ondes radio, des infrarouges, de la lumière visible, des ultraviolets, des rayons X et des rayons gamma. Par conséquent, la palette d’instruments auxquels on doit s’intéresser pour arriver à comprendre leur physique est très large. Certains sont installés au sol mais la plupart sont envoyés sur orbite pour s’affranchir de l’effet perturbateur et absorbant de l’atmosphère. Avec INTEGRAL en particulier, nous nous sommes donc aussi intéressés aux autres types d’objets que ses observations permettaient. Et ces télescopes ne servent pas uniquement à observer les coeurs de galaxie… Non, en effet. Pour parvenir à comprendre ce qui se passe dans le coeur d’une galaxie, il faut mettre en place des projets de recherche de très grande envergure avec des budgets qui avoisinent souvent le milliard de francs. Ces projets sont donc conçus de telle sorte qu’ils mettent à disposition des données sur d’autres types d’objets. Ce qui amène de nouvelles découvertes et de nouvelles interrogations. Il y a là un effet boule de neige.

C’est le cas notamment avec le satellite INTEGRAL, lancé en 2002 afin d’observer les rayons X et gamma en provenance de l’univers proche et lointain…

Au moment de son lancement, il n’existait pas d’appareil équivalent à INTEGRAL. C’est le premier satellite d’observation des rayons gamma de cette taille et de cette polyvalence. Nous avons eu la chance de pouvoir abriter le centre mondial de récolte et de traitement des données du satellite, l’ISDC, ce qui nous a propulsés à la pointe dans la recherche en astrophysique des hautes énergies. Nous recevons, analysons et archivons des données que des chercheurs du monde entier viennent étudier.

Quel bilan peut-on tirer d’INTEGRAL après dix ans de fonctionnement?

Du point de vue scientifique, le bilan est excellent. INTEGRAL a permis de nombreuses découvertes et ouvert de nouveaux champs de recherches. L’un des appareils de mesure monté à bord, l’imageur IBIS, a notamment permis l’identification de nouveaux types de sources de rayons gamma qui déroutent les chercheurs. Les sources dites absorbées, par exemple, sont des astres émettant des rayons X mais qui semblent être entourés par une enveloppe de gaz ou de poussière qui arrête presque toutes les autres longueurs d’onde. On ne les avait jamais observées avant INTEGRAL. D’autres sources inédites brillent durant quelques heures avant de s’éteindre pendant très longtemps. Grâce à un autre appareil installé sur le satellite, les chercheurs ont étudié la présence d’annihilation d’électrons et de positrons au centre de la galaxie (quand la particule et son antiparticule se rencontrent, elles disparaissent en relâchant deux photons très énergétiques). Cette réaction est bien connue des physiciens. Le hic, c’est que nous n’avons aucune idée d’où proviennent ces positrons et ce qu’ils font à cet endroit de la galaxie. Cela dit, grâce à INTEGRAL, nous connaissons maintenant leur nombre et leur température. Finalement, bien que cela ne figurait pas dans ses objectifs principaux, le satellite a beaucoup contribué à une meilleure compréhension des sursauts gamma.

Dans quelle mesure?

INTEGRAL a analysé pas moins de 1500 sursauts gamma depuis 2002. L’un des résultats de ces mesures c’est la remise en question du classement t raditionnel d e c es s ursauts en deux catégories, les courts et les longs, chacune ayant une origine différente. En réalité, un de nos chercheurs qui termine actuellement sa thèse sur le sujet montre qu’il existe des sursauts de toutes les durées, des plus brefs aux plus longs en passant par tous les intermédiaires. Ce qui complique en peu plus l’explication de la nature de ces phénomènes.

Quelle est la part propre à Genève dans l’ensemble des découvertes effectuées dans le cadre d’INTEGRAL?

Les chercheurs de l’ISDC sont représentés dans près de la moitié des publications émanant du programme INTEGRAL. L’investissement consenti par la Suisse dans le cadre de cette mission ayant été relativement modeste, les retombées sont donc très satisfaisantes.

Le programme INTEGRAL était censé durer deux ans, or il fêtera son 10e anniversaire en octobre. Jusqu’à quand cela peut-il continuer?

En fait, même si le programme était officiellement prévu pour deux ans, le satellite était construit pour tenir cinq ans. Nous sommes finalement arrivés à le faire fonctionner deux fois plus longtemps, ce qui est une belle performance. Et ce n’est pas fini. Le programme va en effet se poursuivre au moins jusqu’en 2014. Ensuite, son financement sera rediscuté. Dans tous les cas, à un certain moment, continuer ne fera plus sens car nous disposerons de nouveaux instruments beaucoup plus performants.

Qu’adviendra-t-il alors du centre de contrôle basé à Ecogia?

Le centre de contrôle d’INTEGRAL continuera à fonctionner normalement jusqu’à la fin des opérations. A ce moment, il faudra repasser une fois à travers toutes les données, les calibrer et les archiver de manière définitive. Cela prendra encore au moins deux ans.

Les succès engrangés par l’ISDC vous ont-ils ouvert de nouvelles portes?

Les activités de l’ISDC se sont en effet beaucoup diversifiées. Grâce aux bons résultats que nous avons obtenus, nous sommes souvent les bienvenus dans d’autres projets qui impliquent le même genre de démarches. Nous avons ainsi écrit des logiciels pour le programme Planck dont l’objectif est de mesurer le fond cosmologique de l’univers, c’est-à-dire le rayonnement le plus ancien qui ait été émis et qui devrait nous permettre notamment de connaître l’âge et la forme de l’univers. Et ce logiciel, qui est une adaptation de celui que nous utilisons à l’ISDC, marche comme sur des roulettes. Par ailleurs, nous sommes impliqués dans plusieurs autres projets qui devraient démarrer ces prochaines années (lire en page 18). C’est à la suite de cette évolution que nous avons transformé notre nom de INTEGRAL Science Data Centre à ISDC Data Centre for Astrophysics.

A quel objectif répond la création du Centre d’astroparticules de Genève (CAP-Genève en mai dernier (lire ci-contre)?

Les nouvelles pistes ouvertes par l’astrophysique autour des trous noirs, des rayons gamma ou de l’énergie noire nous placent dans une espèce d’urgence intellectuelle, alimentée par un désir de comprendre ces problèmes.

La difficulté c’est que plus on avance, plus on réalise qu’il existe dans l’univers des phénomènes qui soulèvent des questions d’astrophysique fondamentales et au sujet desquelles nos connaissances sont encore très lacunaires. D’où la nécessité de rapprocher les physiciens des particules, les astrophysiciens des hautes énergies et les cosmologistes. C’est précisément l’objectif du CAP. A terme, il me semble également que les chercheurs du CERN devraient y avoir leur place.

A ce propos, est-il envisageable de se servir de l’espace comme d’un laboratoire géant afin de vérifier les prédictions des théories sur les particules?

Il existe probablement dans l’espace des accélérateurs de particules tels que l’on ne pourra jamais en construire sur Terre. Mais pour le moment, il est très difficile de faire des liens entre ce que l’on observe dans l’espace et ce qui se fait au CERN, par exemple. Pour y parvenir, il faudrait être en mesure de surmonter deux problèmes. Le premier c’est le nombre très faible de particules hautement accélérées qui arrivent jusqu’à nous. Le second c’est la reconstruction de ce qui se passe lorsqu’une de ces particules heurte un noyau dans la haute atmosphère. Cela demeure une opération extrêmement compliquée.

CAP sur les astroparticules

Les récentes découvertes effectuées dans le domaine de l’astronomie et de l’astrophysique des hautes énergies posent à la communauté scientifique de nouveaux défis intellectuels.

Pour tenter de les relever, l’UNIGE s’est dotée en mars 2011 d’un Centre d’astroparticules. Baptisée CAP-Genève, cette nouvelle structure regroupe des chercheurs des Départements de physique nucléaire et corpusculaire, de physique théorique et d’astronomie. Utilisant des approches et des outils différents, l’ensemble de ces scientifiques travaille en effet dans des disciplines dont les domaines de recherche se recoupent de plus en plus, comme c’est le cas notamment pour la physique des particules ou pour la physique théorique.

CAP-Genève leur offrira un cadre institutionnel leur permettant de discuter des projets en cours, de présenter les résultats obtenus ou encore de créer de nouvelles synergies qui n’auraient pu être imaginées dans des groupes isolés.

A terme, le CAP-Genève devrait être intégré au Centre des sciences physiques, astronomie et mathématiques qui pourrait voir le jour sur le site des Vernets.

Destiné à renforcer la capacité des chercheurs de l’UNIGE à repousser les limites des mondes connus et à explorer de nouveaux territoires scientifiques, ce futur centre a pour ambition de devenir «un modèle pour l’organisation et le développement de la recherche fondamentale du XXIe siècle». Il devrait occuper près de 50 000 m2. Outre les vastes espaces de travail répondant aux besoins des recherches, il comprendra deux auditoires de 200 et 400 places ainsi qu’une bibliothèque. Il a été conçu pour recevoir à terme environ 600 collaborateurs et 400 étudiants.

D’Euclid à Athena

INTEGRAL

Le satellite INTEGRAL, dont le centre de traitement de données est basé à Genève, a été lancé en octobre 2002 sous l’égide de l’Agence spatiale européenne (ESA). Son but est l’observation du ciel dans le domaine des rayons X et gamma. La mission se poursuivra au moins jusqu’en 2014.

EUCLID

Mission appartenant au programme Cosmic Vision (2015-2025) de l’ESA, Euclid est un télescope spatial de 3,1 mètres de diamètre dont l’objectif est de mesurer la distribution de la matière noire dans l’univers et la manière dont cette répartition a évolué depuis le Big Bang. En cours de développement, Euclid devrait être opérationnel à partir de 2019.

PLANK

Egalement construit sous l’égide de l’ESA, le satellite Plank a été lancé en mai 2009. Son principal objectif est l’étude détaillée du rayonnement de fond cosmologique émis seulement 380 000 ans après le Big Bang (le rayonnement fossile). Ce rayonnement émis il y a 13,7 milliards d’années est un élément clé pour comprendre les constituants fondamentaux de l’univers et son évolution, du big bang à la formation des premières galaxies et des étoiles.

GAIA

Mission astrométrique elle aussi conduite par l’ESA, Gaïa a pour ambition d’observer plus d’un milliard d’astres afin de clarifier la composition, la formation et l’évolution de notre Galaxie, la Voie lactée, mais également apporter des contributions significatives concernant les planètes extrasolaires, le système solaire, les galaxies extérieures et la physique fondamentale. Rassemblant un consortium de 400 chercheurs et ingénieurs, Gaïa constituera l’analogue d’un observatoire complet en orbite. Son lancement est prévu en août 2013.

FACT

Fruit d’une collaboration entre l’Université de Genève, l’EPFL, l’EPFZ et les universités de Dortmund et Würzburg, le projet FACT repose sur la construction d’une nouvelle génération de télescopes Cherenkov capables d’observer des flashs de lumière produits par les rayons gamma dans l’atmosphère. L’observation de ces flashs, particulièrement brefs, nécessite des caméras sensibles et ultrarapides capables d’enregistrer jusqu’à plusieurs milliards d’images par seconde. Cette technologie est testée depuis un an environ aux îles Canaries.

Ce programme vise à mieux comprendre les accélérateurs cosmiques, en particulier les trous noirs super-massifs au cœur des galaxies, qui présentent des variations rapides d’émissions gamma.

CTA

Le projet CTA (Cherenkov Telescope Array), qui regroupe 34 instituts de recherche issus de 14 pays, est une extension de FACT. Il vise à mettre sur pied un grand réseau de télescopes Cherenkov de nouvelle génération sur un site qui reste à déterminer.

ASTRO-H

Conduite par l’Agence spatiale japonaise, avec la collaboration de la NASA et de l’ESA, la mission Astro H repose sur le développement d’un télescope spatial à rayons X dont le lancement est prévu en 2014. Il constitue la suite directe d’INTEGRAL.

POLAR

Le programme POLAR vise à placer un détecteur de rayons gamma développé par les chercheurs de l’ISDC sur la station spatiale chinoise actuellement en cours de construction. L’appareil est destiné à mesurer la polarisation des photons émis par les sursauts gamma.

LOFT

Le Large Observatory for X-ray Timing ( LOFT) est un projet d e télescope spatial à rayons X de l’ESA dont l’objectif est d’observer les trous noirs et les étoiles à neutrons. Il doit notamment permettre l’étude des dernières orbites de la matière autour des trous noirs. Le projet pourrait débuter en 2022 s’il est retenu.

SPICA/SAFARI

SPICA (Space Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics) est un projet de télescope spatial infrarouge proposé par l’agence spatiale japonaise en collaboration avec l’ESA. L’un de ses instruments de mesure, SAFARI, est un spectromètre imageur en infrarouge dans le développement duquel l’ISDC est fortement impliqué. Son objectif est d’étudier la formation et l’évolution des systèmes planétaires, le cycle de vie de la poussière interstellaire et la formation et l’évolution des galaxies. Le début de la mission est prévu au mieux pour 2018.

ATHENA

ATHENA est un projet de l’ESA encore en compétition axé sur l’étude des rayons X. Il est actuellement en concurrence avec le projet LISA, centré, lui, sur la mesure des ondes gravitationnelles à l’aide de deux satellites placés à un million de kilomètres l’un de l’autre. Si le premier, dans lequel la participation de l’ISDC est acquise, devait ne pas se concrétiser, les chercheurs genevois seraient très probablement appelés à jouer un rôle dans le second.

JEM’EUSO

JEM’EUSO est un instrument japonais conçu pour être installé, si ce projet est retenu, sur la Station spatiale internationale. Son but est de mesurer les rayons cosmiques les plus énergétiques en observant depuis l’espace leur interaction avec l’atmosphère.