À ce jour, vous aurez probablement entendu dire que les astronomes ont produit la première carte météorologique mondiale pour une naine brune. (Si vous ne l'avez pas fait, vous pouvez trouver l'histoire ici.) Peut-être avez-vous même construit le modèle de cube ou le modèle de ballon en origami de la surface de la naine brune Luhman 16B fournis par les chercheurs (ici).
Étant donné que l'un de mes chapeaux est celui d'agent d'information du public à l'Institut Max Planck d'astronomie, où la majeure partie de la cartographie a eu lieu, j'ai participé à la rédaction d'un communiqué de presse sur le résultat. Mais un aspect que j’ai trouvé particulièrement intéressant n’a pas été beaucoup couvert. C’est que cette recherche particulière est un bon exemple de la rapidité avec laquelle l’astronomie peut évoluer de nos jours, et, plus généralement, elle montre comment fonctionne la recherche astronomique. Voici donc un aperçu des coulisses - un making-of, si vous voulez - pour la première carte de surface naine brune (voir l'image à droite).
Comme dans les autres sciences, si vous voulez être un astronome prospère, vous devez faire quelque chose de nouveau et aller au-delà de ce qui a été fait auparavant. C'est, après tout, ce que sont les nouveaux résultats publiables. Parfois, ces progrès sont entraînés par des télescopes plus grands et des instruments plus sensibles qui deviennent disponibles. Parfois, il s’agit d’efforts et de patience, comme l’arpentage d’un grand nombre d’objets et la conclusion des données que vous avez gagnées.
L'ingéniosité joue un rôle important. Considérez les télescopes, les instruments et les méthodes analytiques développés par les astronomes comme les outils d'une boîte à outils en croissance constante. Une façon d'obtenir de nouveaux résultats consiste à combiner ces outils de nouvelles façons ou à les appliquer à de nouveaux objets.
C'est pourquoi notre scène d'ouverture n'a rien de spécial en astronomie: elle montre Ian Crossfield, chercheur post-doctoral au Max Planck Institute for Astronomy, et un certain nombre de collègues (dont le directeur de l'institut Thomas Henning) au début du mois de mars 2013, discutant de la possibilité de appliquer une méthode particulière de mappage de surfaces stellaires à une classe d'objets qui n'avaient jamais été mappés de cette façon auparavant.
La méthode est appelée imagerie Doppler. Il utilise le fait que la lumière d'une étoile en rotation est légèrement décalée en fréquence lorsque l'étoile tourne. Au fur et à mesure que différentes parties des surfaces stellaires passent, entraînées par la rotation de l’étoile, les décalages de fréquence varient légèrement selon l’endroit où se trouve la région électroluminescente sur l’étoile. À partir de ces variations systématiques, une carte approximative de la surface stellaire peut être reconstruite, montrant des zones plus sombres et plus claires. Les étoiles sont beaucoup trop éloignées pour que même les plus grands télescopes actuels puissent discerner les détails de la surface, mais de cette façon, une carte de surface peut être reconstruite indirectement.
La méthode elle-même n'est pas nouvelle. Le concept de base a été inventé à la fin des années 1950 et les années 1980 ont vu plusieurs applications aux étoiles brillantes et à rotation lente, les astronomes utilisant l'imagerie Doppler pour cartographier les taches de ces étoiles (taches sombres sur une surface stellaire; l'analogue stellaire des taches solaires).
Crossfield et ses collègues se demandaient: cette méthode pourrait-elle être appliquée à une naine brune - un intermédiaire entre la planète et l'étoile, plus massive qu'une planète, mais avec une masse insuffisante pour que la fusion nucléaire s'enflamme dans le cœur de l'objet, le transformant en une étoile? Malheureusement, certains calculs rapides, tenant compte de ce que les télescopes et les instruments actuels peuvent et ne peuvent pas faire aussi bien que les propriétés des naines brunes connues, ont montré que cela ne fonctionnerait pas.
Les cibles disponibles étaient trop faibles et l'imagerie Doppler a besoin de beaucoup de lumière: d'une part parce que vous devez diviser la lumière disponible en les innombrables couleurs d'un spectre, et aussi parce que vous devez prendre de nombreuses mesures différentes plutôt courtes - après tout, vous besoin de surveiller comment les décalages subtils de fréquence provoqués par l'effet Doppler changent au fil du temps.
Jusqu'à présent, si ordinaire. La plupart des discussions sur la façon de faire des observations d'un type complètement nouveau aboutissent probablement à la conclusion que cela ne peut pas être fait - ou ne peut pas être fait encore. Mais dans ce cas, un autre moteur du progrès astronomique fait son apparition: la découverte de nouveaux objets.
Le 11 mars, Kevin Luhman, astronome de la Penn State University, a annoncé une découverte capitale: à l'aide de données provenant du Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) de la NASA, il avait identifié un système de deux naines brunes en orbite l'une autour de l'autre. Remarquablement, ce système était à une distance de seulement 6,5 années-lumière de la Terre. Seuls le système stellaire Alpha Centauri et l'étoile de Barnard sont plus proches de la Terre que cela. En fait, l'étoile de Barnard était la dernière fois qu'un objet a été découvert aussi proche de notre système solaire - et cette découverte a été faite en 1916.
Les astronomes modernes ne sont pas connus pour trouver des noms accrocheurs, et le nouvel objet, qui a été désigné WISE J104915.57-531906.1, n'a pas fait exception. Pour être juste, ce n'est pas censé être un vrai nom; c'est une combinaison de l'instrument de découverte WISE avec les coordonnées du système dans le ciel. Plus tard, la désignation alternative «Luhman 16AB» pour le système a été proposée, car c'était le 16e système binaire découvert par Kevin Luhman, A et B désignant les deux composants du système binaire.
De nos jours, Internet donne à la communauté astronomique un accès immédiat aux nouvelles découvertes dès qu'elles sont annoncées. Beaucoup, probablement la plupart des astronomes commencent leur journée de travail en parcourant les soumissions récentes à astro-ph, la section astrophysique de l'arXiv, un référentiel international d'articles scientifiques. À quelques exceptions près - certaines revues insistent sur les droits de publication exclusifs pendant au moins un certain temps -, c'est là que, dans la plupart des cas, les astronomes auront un premier aperçu des derniers articles de recherche de leurs collègues.
Luhman a publié son article «Découverte d'un nain brun binaire à 2 parsecs du soleil» sur astro-ph le 11 mars. Pour Crossfield et ses collègues de MPIA, cela a changé la donne. Tout à coup, il y avait une naine brune pour laquelle l'imagerie Doppler pourrait théoriquement fonctionner et donner la toute première carte de surface d'une naine brune.
Cependant, il faudrait encore la puissance de collecte de lumière de l'un des plus grands télescopes du monde pour y arriver, et le temps d'observation sur ces télescopes est très demandé. Crossfield et ses collègues ont décidé qu'ils devaient appliquer un autre test avant de pouvoir postuler. Tout objet adapté à l'imagerie Doppler scintillera très légèrement, devenant légèrement plus lumineux et plus sombre à son tour lorsque des zones de surface plus claires ou plus sombres tournent en vue. Luhman 16A ou 16B a-t-il scintillé - en termes astronomiques: l'un d'entre eux, ou peut-être les deux, ont-ils montré une grande variabilité?
L'astronomie a ses propres échelles de temps. La communication via Internet est rapide. Mais si vous avez une nouvelle idée, alors normalement, vous ne pouvez pas simplement attendre que la nuit tombe et pointer votre télescope en conséquence. Vous devez faire accepter une proposition d'observation, et ce processus prend du temps - généralement entre six mois et un an entre votre proposition et les observations réelles. De plus, postuler est tout sauf une formalité. Les grandes installations, comme les très grands télescopes de l'Observatoire européen austral ou les télescopes spatiaux comme le Hubble, reçoivent généralement des demandes de plus de 5 fois le temps d'observation réellement disponible.
Mais il existe un raccourci - un moyen d'accomplir beaucoup plus rapidement des projets d'observation particulièrement prometteurs ou urgents. C’est ce que l’on appelle le «temps discrétionnaire du directeur», car le directeur de l’observatoire - ou un adjoint - a le droit de distribuer ce morceau de temps d’observation à sa discrétion.
Le 2 avril, Beth Biller, un autre post-doc MPIA (elle est maintenant à l'Université d'Édimbourg), a demandé le temps discrétionnaire du réalisateur sur le télescope MPG / ESO de 2,2 m à l'observatoire ESO de La Silla au Chili. La proposition a été approuvée le même jour.
La proposition de Biller était d'étudier Luhman 16A et 16B avec un instrument appelé GROND. L'instrument avait été développé pour étudier la rémanence d'explosions puissantes et lointaines appelées éclats de rayons gamma. Avec des objets astronomiques ordinaires, les astronomes peuvent prendre leur temps. Ces objets ne changeront pas beaucoup au cours des quelques heures qu'un astronome fait des observations, en utilisant d'abord un filtre pour capturer une gamme de longueurs d'onde (pensez «lumière d'une couleur»), puis un autre filtre pour une autre gamme de longueurs d'onde. (Les images astronomiques capturent généralement une plage de longueurs d'onde - une couleur - à la fois. Si vous regardez une image en couleur, c'est généralement le résultat d'une série d'observations, un filtre de couleur à la fois.)
Les sursauts gamma et autres phénomènes transitoires sont différents. Leurs propriétés peuvent changer sur une échelle de temps de minutes, ne laissant pas de temps pour des observations consécutives. C'est pourquoi GROND permet des observations simultanées de sept couleurs différentes.
Biller avait proposé d'utiliser la capacité unique de GROND pour enregistrer les variations de luminosité pour Luhman 16A et 16B en sept couleurs différentes simultanément - une sorte de mesure qui n'avait jamais été faite auparavant à cette échelle. Les informations les plus simultanées que les chercheurs avaient obtenues d'une naine brune se trouvaient à deux longueurs d'onde différentes (travaux d'Esther Buenzli, puis de l'Observatoire Steward de l'Université d'Arizona, et ses collègues). Biller en avait sept. Comme les régimes de longueurs d'onde légèrement différents contiennent des informations sur le gaz à des couleurs légèrement différentes, ces mesures ont promis un aperçu de la structure des couches de ces naines brunes - avec des températures différentes correspondant à différentes couches atmosphériques à différentes hauteurs.
Pour Crossfield et ses collègues - Biller parmi eux -, une telle mesure des variations de luminosité devrait également montrer si l'une des naines brunes était ou non un bon candidat pour l'imagerie Doppler.
En fin de compte, ils n’ont même pas dû attendre aussi longtemps. Un groupe d'astronomes autour de Michaël Gillon avait pointé vers Luhman 16AB le petit télescope robotique TRAPPIST, conçu pour détecter les exoplanètes par les variations de luminosité qu'elles provoquent lors du passage entre leur étoile hôte et un observateur sur Terre. Le même jour que Biller avait demandé l'observation du temps et que sa demande avait été approuvée, le groupe TRAPPIST a publié un article intitulé «Météo à évolution rapide pour le plus frais de nos deux nouveaux voisins sous-stellaires», dressant une carte des variations de luminosité pour Luhman 16B.
Cette nouvelle a attrapé Crossfield à des milliers de kilomètres de chez lui. Certaines observations astronomiques n'exigent pas que les astronomes quittent leurs bureaux confortables - la proposition est envoyée aux astronomes du personnel de l'un des grands télescopes, qui font les observations une fois que les conditions sont réunies et renvoient les données via Internet. Mais d'autres types d'observations obligent les astronomes à se rendre dans le télescope utilisé, par exemple au Chili ou à Hawaï.
Lorsque les variations de luminosité pour Luhman 16B ont été annoncées, Crossfield observait à Hawaï. Lui et ses collègues ont réalisé tout de suite que, compte tenu des nouveaux résultats, Luhman 16B était passé d'un candidat possible pour la technique d'imagerie Doppler à un candidat prometteur. Sur le vol d'Hawaï de retour à Francfort, Crossfield a rapidement rédigé une proposition d'observation urgente pour le temps discrétionnaire du directeur sur CRIRES, un spectrographe installé sur l'un des très grands télescopes (VLT) de 8 mètres à l'observatoire Paranal de l'ESO au Chili, soumettant sa demande en avril. 5. Cinq jours plus tard, la proposition a été acceptée.
Le 5 mai, le miroir géant de 8 mètres d'Antu, l'un des quatre télescopes unitaires du très grand télescope, s'est tourné vers la constellation du sud de Vela (la «voile du navire»). La lumière collectée a été acheminée vers CRIRES, un spectrographe infrarouge haute résolution qui est refroidi à environ -200 degrés Celsius (-330 Fahrenheit) pour une meilleure sensibilité.
Trois et deux semaines plus tôt, respectivement, les observations de Biller avaient fourni des données riches sur la variabilité des deux naines brunes dans les sept bandes de longueurs d’ondes prévues.
À ce stade, pas plus de deux mois ne s'étaient écoulés entre l'idée originale et les observations. Mais pour paraphraser la célèbre plaisanterie d'Edison, l'astronomie observationnelle représente 1% d'observation et 99% d'évaluation, car les données brutes sont analysées, corrigées, par rapport aux modèles et inférences faits sur les propriétés des objets observés.
Pour la surveillance multi-longueurs d’ondes de Beth Biller des variations de luminosité, cela a pris environ cinq mois. Début septembre, Biller et 17 coauteurs, Crossfield et de nombreux autres collègues du MPIA, ont soumis leur article au Lettres du journal astrophysique (ApJL) après quelques révisions, il a été accepté le 17 octobre. À partir du 18 octobre, les résultats étaient accessibles en ligne sur astro-ph, et un mois plus tard, ils étaient publiés sur le site Web de l'ApJL.
Fin septembre, Crossfield et ses collègues avaient terminé leur analyse d'imagerie Doppler des données CRIRES. Les résultats d'une telle analyse ne sont jamais sûrs à 100%, mais les astronomes avaient trouvé la structure la plus probable de la surface de Luhman 16B: un motif de taches plus claires et plus sombres; nuages de fer et d'autres minéraux dérivant sur l'hydrogène gazeux.
Comme d'habitude sur le terrain, le texte qu'ils ont soumis à la revue La nature a été envoyé à un arbitre - un scientifique, qui reste anonyme, et qui fait des recommandations aux rédacteurs en chef de la publication d'un article en particulier. La plupart du temps, même pour un article que l'arbitre estime devoir être publié, il ou elle a quelques recommandations à apporter. Après quelques révisions, La nature accepté le Crossfield et al. article fin décembre 2013.
Avec La nature, vous êtes uniquement autorisé à publier la version finale et révisée sur astro-ph ou des serveurs similaires au moins 6 mois après la publication dans le journal. Ainsi, alors qu'un certain nombre de collègues auront entendu parler de la carte de la naine brune le 9 janvier lors d'une session à la 223e réunion de l'American Astronomical Society, à Washington, DC, pour la communauté astronomique élargie, la publication en ligne, le 29 janvier 2014 , aura été le premier aperçu de ce nouveau résultat. Et vous pouvez parier que, en voyant la carte naine brune, un certain nombre d'entre eux auront commencé à réfléchir à ce que l'on pourrait faire d'autre. Restez à l'écoute pour la prochaine génération de résultats.
Et voilà: 10 mois de recherches astronomiques, de l'idée à la publication, aboutissant à la première carte de surface d'une naine brune (Crossfield et al.) Et aux premières bandes de sept longueurs d'onde - étude des variations de luminosité de deux naines brunes (Biller et al.). Ensemble, les études fournissent une image fascinante des modèles météorologiques complexes sur un objet quelque part entre une planète et une étoile, le début d'une nouvelle ère pour l'étude de la naine brune, et une étape importante vers un autre objectif: des cartes de surface détaillées de planètes gazeuses géantes autour d'autres étoiles.
Sur une note plus personnelle, ce fut mon tout premier communiqué de presse à être repris par la chaîne météo.
