La sonde New Horizons découvre une intrigante lumière venue de tout l’Univers

Vue d'artiste de la sonde New Horizons. © Nasa
Si l’on élimine la lumière visible émise par toutes les étoiles et galaxies depuis l’aube des temps, une lueur diffuse subsiste. Révélée par des images de la sonde New Horizons, la source de cette clarté est une énigme !

Imaginez que vous soyez capable d’aller très loin du Soleil. Vous observez l’espace et décidez d’éteindre toutes les lumières visibles en provenance des étoiles et des galaxies, émises depuis la formation des premiers astres. Vous vous attendriez à vous retrouver dans le noir. Eh bien non ! C’est même loin d’être le cas, comme l’a découvert grâce à la sonde New Horizons l’équipe menée par Tod Lauer, du National Optical Infrared Astronomy Research Laboratory (Tucson).

Une lumière diffuse inexplicable subsiste. Elle représenterait autant que celle des galaxies connues. Un sacré pavé dans la mare ! Comment sommes-nous passés à côté ?

Lumière extragalactique

L’espace est rempli de rayonnements électromagnétiques, du rayonnement de fond cosmologique dans l’infrarouge aux rayonnements gamma des quasars, en passant par la lumière visible (celle que l’œil humain peut capter). Cette dernière nous permet par exemple d’observer la densité des galaxies pour tester nos théories sur la formation de ces structures. « Nous nous sommes intéressés à la lumière visible en dehors de notre galaxie », précise Tod Lauer. Son équipe s’est focalisée sur la partie diffuse de cette lumière visible extragalactique, celle qui ne peut être associée à des objets bien définis tels que les étoiles. « On ne connaît pas sa source. Est-elle totalement uniforme ou bien est-elle émise par des objets ponctuels très peu brillants ? » s’interroge Tod Lauer.

Et la capter n’est pas chose facile. C’est impossible depuis un observatoire terrestre à cause de l’atmosphère. Dans l’espace alors ? Oui, mais pas trop près du Soleil, car la lumière zodiacale (la réflexion de la lumière solaire par les poussières interstellaires) gêne les mesures. Pour y parvenir, il faut donc posséder un instrument suffisamment éloigné de notre étoile. Pour cela, la sonde New Horizons, qui a visité Pluton en 2015, l’astéroïde Arrokoth en 2019 et qui continue sa course dans la Ceinture de Kuiper, est idéale. D’autant qu’elle possède un télescope, LORRI (Long Range Reconnaissance Imager), avec lequel elle a révélé les surfaces d’objets lointains.

Mille et une précautions

Les chercheurs ont alors sélectionné soigneusement des images de cet instrument lorsque New Horizons se trouvait entre 42 et 45 unités astronomiques du Soleil, à l’abri de la lumière zodiacale. Des images très noires, où seules quelques pincées de pâles étoiles et galaxies apparaissent. Ils ont aussi évité d’avoir des étoiles trop lumineuses non loin des différents champs de ces images afin que leur lumière ne vienne pas s’y diffuser.

Vue d'artiste de la sonde New Horizons. © Southwest Research Institute
Sur ce dessin, le télescope LORRI apparaît sur le devant de New Horizons, à gauche capot ouvert. Les deux pointeurs stellaires sont visibles à droite.

Il a également fallu tenir compte des interactions possibles entre la caméra LORRI et la sonde. Ainsi les images sélectionnées ont été prises lorsque LORRI était dans l’ombre de cette dernière. Mais les pointeurs d’étoiles de New Horizons, qui dépassent l’ouverture de LORRI, n’étaient pas dans l’ombre, eux ! Ils étaient donc susceptibles de diffuser la lumière du Soleil vers la caméra. Un logiciel de ray-tracing, qui retrace le chemin des rayons lumineux des pointeurs vers la caméra, a permis de s’assurer que ce phénomène était négligeable.

Au total, l’équipe a retenu 195 images avec des temps d’exposition de 30 secondes, et réparties sur sept champs du ciel (voir ci-dessous). « Nous ne possédons pas un échantillonnage complet du ciel, regrette Tod Lauer, mais nous obtenons les mêmes résultats des deux côtés du plan de la Voie lactée. » On peut donc espérer que ces sept champs sont représentatifs de l’ensemble du ciel.

La localisation des sept champs d'images par rapport au plan de la Voie lactée.
La localisation des sept champs d'images par rapport au plan de la Voie lactée.

Pour finir, il a fallu extraire de ces images la lumière des étoiles, des galaxies ainsi que celle diffuse de la Voie lactée. Ce n’est qu’au prix de tous ces efforts que les chercheurs ont enfin pu mesurer la lumière visible diffuse qui percole à travers l’espace et qu’ils ont eu la surprise de découvrir qu’elle représentait autant de lumière que toutes les galaxies connues !

Des tentatives plus anciennes

D’autres tentatives avaient eu lieu quant à sa détection, mais aucun résultat concluant n’avait été obtenu. Il en a été ainsi avec le télescope Hubble, hélas trop affecté par la lumière zodiacale. Mais aussi avec les sondes Pioneer 10 et 11 dont les mesures étaient trop peu précises à cause d’artefacts instrumentaux. Enfin en 2017, une autre équipe avait fait des analyses similaires avec LORRI sans rien trouver d’extraordinaire.

« Elle n’avait que quatre images avec de courts temps de pose de 10 secondes, relève Tod Lauer. De plus, nous avons pris en compte des artefacts de la caméra qui, je pense, leur étaient inconnus. Ceci nous a permis de réduire nos barres d’erreur. » Ce qui est absolument nécessaire pour mesurer un phénomène aussi faible qu’une lumière visible diffuse, qui sinon serait noyée dans ces barres d’erreurs.

L’océan des possibles

Mais alors d’où vient-elle, cette lumière ? Plusieurs hypothèses sont évoquées. La source pourrait se trouver entre les halos de galaxies, comme les étoiles éjectées par leurs galaxies en train de fusionner. À moins qu’elle ne provienne d’objets compacts et proches de nous. Des hypothèses plus exotiques comme la désintégration de particules de matière noire circulent aussi. Mais ne nous affolons pas : il y a tout de même beaucoup de matière ordinaire que nous n’avons pas encore détectée, susceptible d’émettre cette lumière visible diffuse. Ainsi, le nombre de galaxies dans l’Univers reste incertain, les estimations allant de 200 à 2000 milliards.

« Ce dernier chiffre semble cinq fois trop élevé par rapport à la lumière diffuse que nous observons », remarque d’ailleurs Tod Lauer. On vient aussi juste de détecter la présence de gaz chaud dans la structure filamentaire de l’Univers, trahie par son émission en rayons X, et qui pourrait représenter 40 % de la matière ordinaire. Avec toutes ces incertitudes, il ne faut pas s’étonner de découvrir une composante diffuse de la lumière visible à côté de laquelle nous serions totalement passés. Que faire maintenant ? « Obtenir plus de données », répond laconiquement Tod Lauer. C’est en effet le seul moyen de découvrir l’origine de cette lumière fantomatique dans cet océan de possibilités.

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