Rayons X et objets astrophysiques

Découvrir les bases des rayons X et des objets astrophysiques

Rayons X

La lumière se présente sous différentes formes. La plus évidente est la lumière visible par l'œil humain. Cependant, il existe de nombreuses autres lumières qui sont invisibles à l'oeil nu. Les rayons X en font partie.

L'ensemble des lumières existantes s'appelle le spectre électromagnétique. Il est composé d'ondes propageant de l'énergie. Elles sont mesurées par leur fréquence (le nombre d'ondes qui passent par un point en une seconde) et leur longueur d'onde (la distance entre le point le plus élevé d'une onde et le suivant).

Les rayons X sont des ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde est plus courte que celle des rayons UV et généralement plus longue que celle des rayons gamma. Les rayons X possèdent deux propriétés intéressantes qui les rendent uniques pour l'étude de « l'Univers chaud et énergétique », l'objectif scientifique du X-IFU. Premièrement, ils peuvent pénétrer et traverser la matière, ce qui explique leur utilisation en radiologie. Deuxièmement, ils sont produits dans les phénomènes les plus chauds et les plus énergétiques, car il faut beaucoup d'énergie ou de chaleur pour produire des rayons X.

L'astronomie des rayons X est l'étude des objets et des phénomènes astronomiques qui émettent des rayons X. Ce domaine a été initié avec le développement de détecteurs embarqués dans des fusées à la fin des années 1950. L'atmosphère terrestre absorbe la plupart des rayons X. C'est pourquoi les télescopes et les détecteurs de rayons X doivent être transportés dans l'espace. Aujourd'hui, deux observatoires spatiaux phares, XMM-Newton de l'ESA et Chandra de la NASA, sont en service et fournissent des observations remarquables des sources de rayons X cosmiques. À l'avenir, le télescope spatial NewAthena et son instrument X-IFU seront encore plus sensibles aux rayons X.

Univers chaud et énergique

De gigantesques trous noirs résident, et se cachent souvent, au centre de la plupart des galaxies de l'Univers. Ils tournent sur eux-mêmes et entraînent dans leur rotation d'énormes quantités de matière en orbite autour d'eux, perturbant les étoiles et produisant d'intenses forces de marée sous l'effet de leur extrême gravité.

Une énorme quantité de gaz, chauffé à des températures de dizaines de millions de degrés, se trouve entre des milliards de galaxies. Un grand nombre de ces galaxies résident dans des groupes et des amas, au croisement de grands filaments qui tissent une toile cosmique de matière à travers l'Univers. Les étoiles des galaxies s'effondrent à la fin de leur vie, provoquant des explosions de supernova dévastatrices. Ces explosions génèrent des éléments chimiques lourds, alimentant les vents galactiques qui, à leur tour, mélangent et poussent la matière à l'intérieur et à l'extérieur des galaxies, déclenchant la naissance de nouvelles étoiles.

Ces objets astrophysiques, et bien d'autres, sont soumis à des conditions extrêmes et à des processus physiques violents. Ils forment l'Univers chaud et énergétique. Tous ont la capacité commune d'émettre des rayons X, qui seront détectés par le X-IFU à bord du télescope spatial NewAthena.

La compréhension de ces phénomènes chauds et énergétiques permettra aux scientifiques de percer le mystère de la croissance des trous noirs depuis la nuit des temps et de comprendre comment ils influencent la formation et l'évolution des galaxies, en d'autres termes, comment ils façonnent l'Univers. Ils analyseront comment la matière s'assemble en une toile cosmique à grande échelle, où la matière s'écoule le long de structures filamentaires sous l'effet de la gravitation et forme des amas de galaxies.

Trous noirs

Les trous noirs sont des objets extrêmement compacts. Une étoile cent fois plus massive que le Soleil et dix fois plus grande, comprimée dans une région de quelques kilomètres de diamètre, constituerait un trou noir.

Un trou noir peut être défini comme une région de l'Univers où la gravité est si forte que rien ne peut s'en échapper. Pour sortir d'une telle région, il faudrait vaincre la gravité extrême du trou noir et voyager plus vite que la lumière. D'où le nom de trous noirs : ils sont « noirs » parce qu'aucun signal, pas même la lumière, ne peut échapper à leur attraction ; ce sont des « trous » parce que la matière, et même la lumière, ne peut que plonger à l'intérieur, mais jamais franchir leur bord extérieur (appelé horizon des événements) à l'envers.

Néanmoins, nous observons régulièrement les trous noirs à travers les effets qu'ils ont sur la matière environnante, en raison de leur intense puissance gravitationnelle. Le gaz qui tombe vers les trous noirs s'échauffe et émet d'énormes quantités de lumière, notamment des rayons X. De plus, en accrétant du gaz autour d'eux, les trous noirs génèrent souvent de puissants flux de matière qui peuvent avoir un impact profond sur leur environnement.

Les astronomes pensent que des trous noirs supermassifs sont présents au centre de toutes les galaxies massives. Ces trous noirs gigantesques sont probablement capables de réguler la croissance et l'évolution de l'ensemble de leur galaxie hôte en y injectant une grande quantité d'énergie sous forme de rayonnement et d'écoulements.

Malgré les progrès scientifiques remarquables réalisés au cours des dernières décennies, il reste encore beaucoup à comprendre sur l'accrétion de la matière autour des trous noirs et sur les effets de l'activité des trous noirs sur leur environnement. Grâce à X-IFU, les scientifiques exploreront toutes les régions influencées par les trous noirs, de l'horizon des événements à l'échelle des galaxies et des amas de galaxies. Les données X-IFU fourniront la vision la plus précise jamais obtenue d'un univers profondément influencé par l'activité des trous noirs à tous les niveaux.

Amas de galaxies

La distribution de la matière dans l'Univers est caractérisée par une structure de filaments et de vides semblable à une mousse, appelée « toile cosmique ». La densité de la matière est la plus élevée à l'intersection des filaments, où se trouvent les amas de galaxies. Il s'agit d'un ensemble de galaxies dans certaines régions du ciel. Nous savons aujourd'hui qu'elles peuvent contenir des milliers de galaxies, mesurer des millions d'années-lumière de diamètre et avoir une masse totale allant jusqu'à mille millions de millions (10¹⁵) fois celle du Soleil.

L'espace entre les galaxies est rempli d'un plasma. Ce plasma est extrêmement raréfié et exceptionnellement chaud (plus de 10 millions de degrés). Il se refroidit à l'échelle du temps cosmique en émettant des photons de rayons X. Le plasma représente environ 10 % de la masse totale d'un amas, ce qui en fait le principal composant « visible ». On pense que les 85 % restants de la masse d'un amas sont composés de matière noire, ainsi appelée parce qu'elle n'émet aucun rayonnement connu. Elle est nécessaire pour empêcher les galaxies de s'effondrer sous l'effet de l'expansion continue de l'Univers.

Les amas de galaxies se forment et s'agrandissent au cours du temps cosmique par accrétion de matière le long des filaments. Les petits objets se forment en premier et fusionnent progressivement, par influx gravitationnel, pour former des objets de plus en plus grands. Certaines de ces fusions sont les événements les plus énergétiques depuis le Big Bang, provoquant des ondes de choc d'une durée de mille années-lumière se déplaçant à des milliers de kilomètres par seconde dans le plasma et générant des mouvements massifs et turbulents qui peuvent durer plus d'un milliard d'années.

L'instrument X-IFU embarqué à bord de la mission NewAthena permettra aux scientifiques de caractériser la vitesse de ces mouvements à partir de l'émission de rayons X du gaz. Ces mesures de haute précision leur permettront de mieux comprendre comment les plus grands objets astrophysiques de l'Univers s'assemblent et évoluent à travers les temps cosmiques.

Étoiles

En levant les yeux vers le ciel, de jour comme de nuit, nous pouvons voir des étoiles. Qu'est-ce que c'est ? De grosses boules de gaz. Les plus petites ne pèsent qu'un dixième du Soleil, tandis que les plus grandes pèsent plus de 100 fois cette masse. Leur intérieur est si chaud et si dense que des réactions nucléaires se produisent, générant la lumière visible que nos yeux perçoivent. Nous pensons souvent que les étoiles sont bien connues, mais ce n'est pas encore le cas ! Heureusement, elles émettent aussi des rayons X.

Les étoiles massives éjectent continuellement de la matière, un processus appelé « vent stellaire » qui reste mal connu. Lorsque deux étoiles massives orbitent ensemble, leurs vents entrent en collision. Ces vents sont au cœur de l'émission de rayons X par les étoiles. X-IFU pourra les explorer, grâce à sa sensibilité exceptionnelle, ce qui permettra de nombreuses avancées scientifiques. Il permettra d'observer les caractéristiques des éléments lumineux des rayons X (appelées « raies ») associées aux éléments chimiques des étoiles. Ces observations aideront à décrire la structure des vents stellaires générés par les pulsations, les champs magnétiques ou les rotations internes des étoiles. Elles nous permettront de comprendre les propriétés des vents en collision et le mécanisme régissant les chocs induits.

Les étoiles de faible masse, semblables au Soleil, seront étudiées tout au long de leur vie, car des mystères subsistent à tous les âges. NewAthena X-IFU montrera comment les bébés soleils grandissent en avalant de la matière, en révélant les vitesses, les densités et les changements à court terme de la matière impliquée dans ce processus. L'activité des étoiles jeunes et adultes sera également étudiée en détail, révélant la physique en jeu pendant les mystérieuses phases initiales des éruptions, ainsi que leurs structures magnétiques complexes. Enfin, les bulles de gaz chaudes entourant les étoiles mourantes, alimentées par leurs éjections, seront caractérisées, ce qui nous permettra de mieux comprendre la dernière étape de la vie stellaire.

Supernova

Les supernovae sont parmi les événements les plus énergétiques de l'Univers. Elles constituent la principale usine d'éléments lourds, produisant tous les éléments de l'Univers, de l'oxygène au rubidium.
La grande quantité d'énergie cinétique libérée lors de l'explosion entraîne la création d'une onde de choc rapide (~30 millions de km/h) qui est la principale source d'énergie cinétique et thermique dans les galaxies.
Les explosions de supernovae sont de deux types : les explosions thermonucléaires (type Ia) et l'effondrement du cœur d'étoiles massives (8 fois plus massives que notre soleil). Malgré le fait que le type Ia soit utilisé comme bougie standard en cosmologie, la nature même des progéniteurs en jeu et le mécanisme d'explosion restent un défi comme pour les cas d'effondrement du noyau.

Pour les étoiles massives, leur structure au moment de l'explosion peut jouer un rôle important dans le scénario de l'explosion, mais c'est l'un des aspects les moins bien compris de l'évolution stellaire. Le suivi des supernovae dans les premières années après l'explosion en rayons X permet de sonder l'histoire de la masse du progéniteur perdue par les vents stellaires ou l'interaction avec une étoile compagnon. Grâce à la haute résolution spectrale de l'instrument X-IFU, la composition (métallicité) de la masse perdue par l'étoile progénitrice avant l'explosion sera étudiée en détail.

Des siècles après la supernova, l'expansion continue produit rapidement une coquille de gaz chaud de plusieurs années-lumière qui apparaît comme étendue pour NewAthena. Cette bulle de gaz chaud est appelée reste de supernova. Grâce à ses capacités d'imagerie et de haute résolution spectrale, l'instrument X-IFU cartographiera les propriétés (abondance, température, vitesse) du gaz chaud pour construire une vue en 3D de la distribution des éléments lourds, ce qui permettra de mieux comprendre la nature de l'explosion (effondrement du noyau ou thermonucléaire), le type de progéniteur et les mécanismes de l'explosion.

Les supernovae sont des explosions cataclysmiques d'étoiles en fin de vie. Elles comptent parmi les événements les plus énergétiques de l'Univers et constituent le principal producteur d'éléments lourds, générant tous les éléments chimiques de l'Univers, de l'oxygène au rubidium.

La grande quantité d'énergie libérée lors de l'explosion entraîne la création d'une onde de choc rapide (environ 30 millions de km/h) qui est la principale source d'énergie dans les galaxies. Les explosions de supernovae sont de deux types : les explosions thermonucléaires et l'effondrement du cœur d'étoiles massives (8 fois plus massives que notre Soleil).

Exoplanètes

Les exoplanètes sont des planètes, comme celles de notre système solaire, en orbite autour d'autres étoiles de la Voie lactée. La première exoplanète, détectée en 1995, a la taille de Jupiter mais orbite autour de son étoile à la même distance que Mercure par rapport au Soleil. Depuis cette découverte inattendue, des milliers d'exoplanètes ont été détectées en orbite autour de nombreuses étoiles.

Selon l'orientation de l'orbite de l'exoplanète, nous pouvons observer son transit devant son étoile hôte. Il se caractérise par un léger affaiblissement observable de la luminosité de l'étoile hôte en raison de l'ombre de l'exoplanète à l'avant. Cette observation permet d'estimer le rayon et la masse de la planète. En combinant la masse et le rayon, on peut distinguer les exoplanètes rocheuses (semblables à la Terre) des exoplanètes gazeuses (semblables à Jupiter).

Nous savons déjà que l'émission de haute énergie de l'étoile hôte (rayons X et gamma) affecte profondément l'évolution chimique et physique de l'atmosphère des exoplanètes. Cependant, nous ne comprenons pas encore parfaitement les mécanismes réels à l'œuvre. Il existe actuellement peu de preuves que les Jupiter chauds affectent l'émission de rayons X de leurs étoiles hôtes proches, soit par des interactions magnétiques, soit par l'influx de matière évaporée sur la surface stellaire. Un tel phénomène peut être modélisé et les prédictions du modèle peuvent être vérifiées grâce aux observations de NewAthena d'exoplanètes semblables à des Jupiters en transit, proches de leurs étoiles hôtes.