Photographie en accéléré du lancement de la fusée Cosmic Infrared Background Experiment (CIBER), prise du Wallops Flight Facility de la NASA en Virginie en 2013. L'image provient du dernier des quatre lancements. Crédit : Université de Tokyo/T. Arai
L'univers contient un nombre ahurissant d'étoiles, mais les meilleures estimations des scientifiques peuvent être un sous-dénombrement. Une fusée-sonde financée par la NASA est lancée avec un instrument amélioré pour rechercher des preuves d'étoiles supplémentaires qui auraient pu être manquées dans le décompte des étoiles.
L'expérience de fond infrarouge cosmique-2, ou CIBER-2, mission est la dernière d'une série de lancements de fusées-sondes qui a commencé en 2009. Dirigée par Michael Zemcov, professeur assistant de physique et d'astronomie au Rochester Institute of Technology de New York, La fenêtre de lancement de CIBER-2 s'ouvre au White Sands Missile Range au Nouveau-Mexique le 6 juin 2021.
Si vous avez eu le plaisir de voir un ciel ouvert par temps clair, nuit noire, vous avez probablement été frappé par le grand nombre d'étoiles. Peut-être avez-vous même essayé de les compter. (Si non, un indice :il y en a environ cinq mille visibles à l'œil nu depuis la Terre.) Mais la vraie merveille est que notre ciel nocturne moucheté ne représente que le plus petit échantillon de ce qui existe vraiment.
Pour obtenir une estimation approximative du nombre total d'étoiles dans l'univers, les scientifiques ont calculé le nombre moyen d'étoiles dans une galaxie - certaines estimations le placent à environ 100 millions, bien qu'il puisse être 10 fois plus élevé et multiplié par le nombre de galaxies, estimé à environ 2 000 milliards (également très provisoire). Cela vous donne cent quintillions d'étoiles (ou 1 avec 21 zéros après). C'est plus de 10 étoiles pour chaque grain de sable sur Terre (estimé à environ sept quintillions et demi).
Cette infographie compare les caractéristiques de trois classes d'étoiles de notre galaxie :les étoiles semblables au soleil sont classées comme étoiles G; les étoiles moins massives et plus froides que notre Soleil sont des naines K; et même les étoiles les plus faibles et les plus froides sont les naines M rougeâtres. Le graphique compare les étoiles en fonction de leurs zones habitables, longévité, et l'abondance relative. Crédit :NASA/ESA/STScI/Z. Prélèvement
Mais même ce nombre astronomiquement élevé peut être une sous-estimation. Ce calcul suppose tout, ou du moins la plupart, les étoiles sont à l'intérieur des galaxies. Sur la base de découvertes récentes, ce n'est peut-être pas tout à fait vrai et c'est ce que la mission CIBER-2 essaie de comprendre.
L'instrument CIBER-2, comme l'instrument CIBER précédent sur lequel il est basé, se lancera à bord d'une fusée-sonde, une petite fusée suborbitale qui transporte des instruments scientifiques lors de brefs voyages dans l'espace avant de retomber sur Terre pour récupérer. Une fois au-dessus de l'atmosphère terrestre, CIBER-2 étudiera une parcelle de ciel d'environ 4 degrés carrés - pour référence, la pleine Lune occupe environ un demi-degré, ce qui comprend des dizaines d'amas de galaxies. Il ne comptera pas les étoiles, mais il détectera le diffus, lueur remplissant le cosmos connue sous le nom de lumière de fond extragalactique.
"Cette lueur de fond est la lumière totale produite au cours de l'histoire cosmique", a déclaré Jamie Bock, professeur de physique au Caltech de Pasadena, Californie, et chercheur principal pour les quatre premiers vols de CIBER. Cette lumière de fond couvre une gamme de longueurs d'onde, mais CIBER-2 se concentrera sur une petite partie appelée le fond infrarouge cosmique, ou CIB. On pense qu'une grande partie du CIB provient des nains M et K, les types d'étoiles les plus répandus dans l'univers, bien que ce ne soit pas le seul contributeur. "Notre méthode mesure la lumière totale, y compris à partir de sources que nous n'avons pas encore identifiées, " dit Bock.
Quand vous ne pouvez pas compter les étoiles individuelles dans une galaxie, la luminosité du CIB devrait vous donner une bonne estimation du nombre de naines M et K. Et si toutes ces étoiles sont à l'intérieur de la galaxie, cette lumière devrait être la plus brillante vers son centre. En 2007, les scientifiques ont utilisé le télescope spatial Spitzer de la NASA pour observer les amas de galaxies et effectuer ce type de mesure.
Cette image du télescope spatial Spitzer de la NASA montre une vue infrarouge d'une zone du ciel dans la constellation de la Grande Ourse. Crédit :NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky
Mais Spitzer a observé plus de lumière que prévu des populations de galaxies connues - les fluctuations de luminosité du CIB laissaient entendre qu'il leur manquait quelque chose.
Bock et Zemcov – à l'époque chercheur post-doctoral mais maintenant chercheur principal de CIBER-2 – ont effectué la première mission CIBER pour vérifier ces résultats avec un télescope mieux optimisé pour la tâche.
"Nous avons donc fait cette mesure, et nous avons trouvé une réponse qui était inconfortable, " a déclaré Zemcov. " Il y a eu beaucoup plus de fluctuations que ce à quoi nous nous attendions - une explication est qu'il y a plus de lumière provenant de l'extérieur des galaxies que nous ne le pensions. "
La lumière supplémentaire, ils croient, peut-être de la lueur des étoiles naines égarées. Ces étoiles auraient pu être projetées hors de leur galaxie d'origine lorsqu'elle a fusionné avec une autre, un processus connu sous le nom de décapage par marée. Ces étoiles lointaines sont connues pour entourer la Voie lactée, bien que les décomptes actuels suggèrent qu'il n'y en a pas assez pour produire le signal mesuré par CIBER.
Après avoir masqué toutes les étoiles connues, galaxies et artefacts et améliorer ce qui reste, une lueur d'arrière-plan irrégulière apparaît. C'est le fond infrarouge cosmique (CIB); des couleurs plus claires indiquent des zones plus lumineuses. La lueur du CIB est plus irrégulière que ne peut l'expliquer les galaxies lointaines non résolues. Crédit :NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky
"De plus en plus de recherches suggèrent qu'il existe un nombre important d'étoiles de ce type en dehors des galaxies, " a déclaré Zemcov.
Mais des hypothèses alternatives pour cet excès de lumière ont surgi. "Nous savons qu'une partie de cette lumière vient des galaxies, et certaines des premières étoiles à briller, même s'ils sont partis depuis longtemps maintenant, " a déclaré Bock. Une certaine lumière de notre propre galaxie pourrait même polluer les mesures, bien que l'équipe CIBER ait fait de son mieux pour le filtrer. Il y a aussi des possibilités plus exotiques, comme les trous noirs à effondrement direct de l'univers primitif - des nuages de gaz massifs qui se sont effondrés en trous noirs sans devenir d'abord des étoiles - dont la lumière ultraviolette se serait étendue à travers l'espace en expansion dans les longueurs d'onde infrarouges plus longues que nous voyons aujourd'hui. CIBER-2 a été conçu pour aider à régler la question en distinguant ces possibilités.
La lumière des nains extragalactiques M et K devrait se répandre dans la plage visible, CIBER-2 a donc été conçu pour observer une gamme étendue de longueurs d'onde - du proche infrarouge à la lumière visible verte - pour voir si elle est là. CIBER-2 peut également distinguer la lumière des premières galaxies et étoiles ou des premiers trous noirs à effondrement direct :les deux devraient avoir une partie caractéristique de leur lumière totale manquante, la partie absorbée par l'épais brouillard d'hydrogène intergalactique dans l'univers primitif.
Pour l'instant, toutes les possibilités restent sur la table. Mais si notre nombre d'étoiles devait effectivement augmenter, Les résultats de CIBER-2 pourraient bientôt nous le dire.
"Il y a des indices que nous n'attrapons certainement pas toutes les choses dans l'univers. Et plus les gens regardent, plus ils voient, " a déclaré Zemcov.
