Le télescope Fermi retrace l’histoire du rayonnement stellaire à travers l’Univers

Reconstituer l’histoire de l’Univers est l’un des objectifs principaux des cosmologistes et des astrophysiciens. L’étude de la dynamique des étoiles, et notamment de leur rayonnement, est une étape essentielle dans la poursuite de cet objectif. Pour ce faire, des chercheurs de la collaboration Fermi ont analysé le rayonnement gamma de plusieurs centaines de blazars afin de retracer l’évolution du rayonnement stellaire au cours de l’histoire du cosmos.

Des scientifiques utilisant les données du Fermi Gamma-ray Space Telescope de la NASA, ont mesuré la lumière stellaire produite au cours de plus de 90% de l’histoire de l’Univers. L’analyse, qui examine l’émission de rayons gamma de galaxies lointaines, estime le taux de formation des étoiles et constitue une référence pour les futures missions explorant les débuts encore obscurs de l’évolution stellaire. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

« Les étoiles créent la majeure partie de la lumière que nous voyons, et synthétisent la plupart des éléments lourds de l’univers, comme le silicium et le fer » explique Marco Ajello, astrophysicien à la Clemson University en Caroline du Sud. « Comprendre comment le cosmos dans lequel nous vivons est apparu, dépend en grande partie de la compréhension de l’évolution des étoiles ».

L’un des principaux objectifs de la mission Fermi, qui a fêté son 10e anniversaire en orbite cette année, était d’évaluer la lumière de fond extragalactique (EBL), un brouillard cosmique composé de toutes les étoiles lumineuses ultraviolettes, visibles et infrarouges, créées au cours de l’histoire de l’Univers.

Comme la lumière des étoiles continue de voyager dans le cosmos longtemps après que ses sources se soient éteintes, la mesure de l’EBL permet aux astronomes d’étudier la formation et l’évolution des étoiles, séparément des étoiles elles-mêmes.

Cette vidéo présente les objectifs et les résultats des travaux des chercheurs de la collaboration Fermi :

« Il s’agit d’une confirmation indépendante des mesures antérieures des taux de formation d’étoiles » déclare David Thompson, astrophysicien adjoint du projet Fermi, au Goddard Space Flight Center de la NASA. « En astronomie, lorsque deux méthodes complètement indépendantes donnent le même résultat, cela signifie généralement que nous faisons quelque chose de bien. Dans ce cas, nous mesurons la formation des étoiles sans les regarder, mais en observant les rayons gamma qui ont traversé le cosmos ».

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Les rayons gamma sont la forme de lumière la plus énergétique. En fait, ils sont si énergétiques que leurs interactions avec la lumière des étoiles ont des conséquences inhabituelles. « Lorsque les bonnes fréquences de lumière entrent en collision, elles peuvent se transformer en matière grâce à la célèbre équation E = mc² d’Albert Einstein » explique Alberto Dominguez, astrophysicien à l’Université Complutense de Madrid.

La collision entre un rayon gamma de haute énergie et la lumière infrarouge, par exemple, transforme l’énergie en une paire de particules : un électron, et son homologue d’antimatière, un positron. Le même processus se produit lorsque les rayons gamma à moyenne énergie interagissent avec la lumière visible et que les rayons gamma à basse énergie interagissent avec la lumière ultraviolette.

La capacité de Fermi à détecter les rayons gamma sur une large gamme d’énergies le rend particulièrement bien adapté à la cartographie du spectre EBL. Un certain nombre de ces interactions surviennent sur des distances cosmiques que les scientifiques observent plus loin dans le passé, ainsi, leurs effets deviennent évidents sur les sources de rayons gamma, permettant ainsi une analyse approfondie du contenu stellaire de l’Univers.

Les scientifiques ont examiné les signaux de rayons gamma de 739 blazars — des sources quasars compactes associées à un trou noir supermassif — recueillies sur neuf ans par le Fermi’s Large Area Telescope (LAT). La mesure, quintuplée par le nombre de blazars utilisés dans une analyse antérieure de Fermi EBL publiée en 2012, inclut de nouveaux calculs sur la façon dont l’EBL se construit au fil du temps, révélant ainsi le pic de formation d’étoiles il y a environ 10 milliards d’années.

La nouvelle mesure de l’EBL fournit également une confirmation importante des estimations précédentes de la formation d’étoiles provenant de missions analysant de nombreuses sources individuelles, incluant l’observation de galaxies distantes, avec le télescope spatial Hubble par exemple. Cependant, ces types de missions passent souvent à côté d’étoiles et de galaxies plus faiblement lumineuses, et ne peuvent pas expliquer la formation d’étoiles qui ont lieu dans l’espace intergalactique.

Ces contributions manquantes doivent être estimées lors de l’analyse de chaque enquête. L’EBL, cependant, inclut la lumière des étoiles de toutes les sources et évite ces problèmes. Le résultat de Fermi fournit donc une confirmation indépendante, du fait que les mesures utilisant les missions d’observation du champ profond prennent correctement en compte leurs propres biais. Il peut également aider à orienter les futures missions telles que le télescope spatial James Webb (JWST).

« L’un des principaux objectifs de Webb est de comprendre ce qui s’est passé au cours des premiers milliards d’années qui ont suivi le Big Bang. Notre travail fixe de nouvelles limites importantes à la quantité de lumière stellaire que nous pouvons espérer voir au cours de ce premier milliard d’années — une période largement inexplorée dans l’univers — et constitue un point de référence pour les études futures » conclut Kári Helgason, astrophysicien à l’Université de l’Islande.

Sources : Science