Nouvelles facettes de notre Galaxie : ilots de gaz froid et mystérieux « voile micro-ondes »

Mieux connaitre notre Galaxie pour mieux dévoiler le rayonnement fossile

Le satellite Planck est dédié à l'observation du rayonnement fossile, c'est à dire l'écho lumineux du Big Bang. Mais ce faisant, le satellite capte aussi tout un ensemble de rayonnements émis à des fréquences similaires à celles du rayonnement fossile et produits par de nombreuses galaxies, à commencer par la nôtre.

Un processus prudent et délicat de nettoyage des données est donc indispensable pour identifier et séparer tous les types de rayonnements d'avant-plans avant d'accéder à l'image du rayonnement fossile. Mais ces émissions d'avant-plan s'avèrent d'un autre côté une mine d'informations précieuses pour d'autres thèmes de recherche en astrophysique. Ainsi les résultats obtenus, à ce stade de la mission, nous donnent un point de vue inédit sur certains processus physiques à l'œuvre dans notre Galaxie.

Les émissions galactiques sont essentiellement produites par les électrons libres et la poussière présente dans le milieu interstellaire. Les électrons rayonnent principalement selon deux processus : l'émission dite synchrotron, produite lorsqu'ils sont déviés par le champ magnétique galactique, et le rayonnement dit de freinage quand ils sont décélérés en passant à proximité des protons ou autres noyaux lourds du milieu interstellaire. Ces émissions dominent aux plus basses fréquences détectées par Planck. La poussière, elle, émet un rayonnement thermique : étant 5 à 10 fois plus chaude que le rayonnement fossile (soit autour de 20K, c'est à dire -253 degrés Celsius), elle rayonne principalement dans les hautes fréquences détectées par Planck. À cela s'ajoute une émission dite « anormale » (quoique relativement bien comprise désormais) produite par de minuscules grains de poussière contenant quelques dizaines de milliers d'atomes et dotés d'une rotation très rapide.

Heureusement, ces quatre processus ont des caractéristiques spectrales bien distinctes, c'est à dire que qu'ils n'émettent pas la même proportion de leur rayonnement dans les mêmes couleurs. Avec ses neuf fréquences d'observation, Planck offre une couverture spectrale sans précédent. Ainsi la tache de séparation de ces diverses composantes gagne en précision... mais aussi en complexité ! Et grâce à des méthodes de plus en plus pointues, les chercheurs de la mission Planck ont été capables de conclure définitivement que ces émissions ne peuvent à elles seules expliquer tout le rayonnement galactique mesuré par les instruments de Planck.

Le "voile micro-ondes"

Planck a ainsi mis en évidence un mystérieux « voile micro-onde » qui, à ce jour, reste inexpliqué. Cette émission avait déjà été pressentie il y a quelques années dans les données du satellite WMAP, mais la couverture spectrale de l'instrument était insuffisante pour la caractériser entièrement.

Ce voile provient de la région entourant le centre galactique et se manifeste sous une forme assez similaire à l'émission synchrotron. Cette émission bien connue est produite par des électrons probablement accélérés par des explosions de supernova puis subissant l'influence du champ magnétique de la Voie lactée. Mais ce voile galactique est bien particulier car il présente un spectre plus « dur » que l'émission synchrotron, c'est à dire que son émission ne décroit pas aussi rapidement lorsque l'énergie augmente que pour une émission synchrotron ordinaire.

Afin d'expliquer ce curieux comportement, plusieurs hypothèses ont été formulées, telles un plus fort taux de supernovae que ce qui est actuellement estimé, la présence de vents galactiques ou encore l'annihilation de particules de matière noire, une forme mystérieuse de matière jamais détectée directement mais qui semble baigner toutes les galaxies. Jusqu'à présent, aucune n'a pu être validée et le voile galactique continue d'intriguer les chercheurs !

 

Légende : Cartes du ciel présentant la distribution spatiale du "voile micro-ondes" réalisées avec les observations à 30 et 44 GHz de l'instrument LFI du satellite Planck. L'intensité de ce voile galactique reste faible comparée à l'émission globale qui est ici masquée dans les régions où elle domine très largement. En bas, en bleu, est superposée la carte réalisée avec les données du satellite Fermi dans le domaine du rayonnement gamma (10-100 GeV).

Crédits : ESA/consortia HFI/LFI(rayonnement micro-ondes), NASA/DOE/Fermi LAT/ D. Finkbeiner et al. (rayonnement gamma)

 

Le ciel en monoxyde de carbone

Mais ce n'est pas tout ! On peut également extraire des données de Planck la carte complète de la distribution du monoxyde de carbone dans notre Galaxie. Cette molécule est l'un des constituants des nuages froids présents dans les galaxies et en particulier dans notre Voie Lactée. Composés essentiellement de molécules d'hydrogène, ces nuages sont les réservoirs à partir desquels se forment les étoiles.

Les molécules d'hydrogène sont cependant difficiles à détecter car elles émettent peu de rayonnement. Bien que beaucoup moins abondant, le monoxyde de carbone se forme dans des conditions similaires et émet, quant à lui, facilement de la lumière. C'est pour cette raison que les astronomes l'utilisent comme traceur pour cartographier les nuages d'hydrogène depuis de nombreuses années.

Mais les campagnes d'observations du monoxyde de carbone réalisées à partir de télescopes radio au sol sont très coûteuses en temps et sont donc limitées aux portions du ciel où l'on soupçonne déjà l'existence de ces nuages moléculaires. Le grand avantage de Planck est qu'il balaye systématiquement l'ensemble du ciel, ce qui a permis de détecter des concentrations de gaz moléculaire là où on ne les attendait pas, parfois assez loin du plan galactique par exemple. Ces informations vont contribuer à l'investigation détaillée des conditions physiques et chimiques qui prévalent lors des premiers stades de la formation des étoiles.

 

Légende : Cartes du ciel présentant la distribution du monoxyde de carbone, traceur des nuages moléculaires, détectée par l'instrument HFI du satellite Planck. Les grandes structures en filigrane sont liées des artefacts du traitement des données et n'ont rien de réel. Au milieu, superposée en rouge, la carte précédente de 2001 (le contour indique les zones observées). De nombreux nuages moléculaires se trouvent dans des régions éloignées du plan galactique et étaient jusqu'alors inconnus. En bas, un zoom sur la distribution du monoxyde de carbone dans Cepheus : même dans les régions déjà cartographiées, Planck améliore sensiblement nos connaissances.

Crédits : ESA/consortia HFI/LFI, T. dame et al., 2001

 

Pour en savoir plus :

• Séparation de composantes 
• Poussières froides