Thèmes clés

3. Observations scientifiques

Tout en se concentrant sur l'Univers chaud et énergétique, les capacités révolutionnaires de X-IFU permettront de réaliser une multitude de nouvelles recherches scientifiques sur un large éventail de sources astrophysiques présentant un grand intérêt pour l'ensemble de la communauté astronomique.

Système solaire et sciences planétaires

Les observatoires de rayons X XMM-Newton et Chandra ont ouvert un âge d'or dans l'exploration des rayons X du système solaire, grâce à des observations s'étalant sur vingt ans et à une multitude de données. Ils ont ouvert une nouvelle fenêtre sur les phénomènes qui se déroulent dans les atmosphères et les magnétosphères planétaires, et sur leur réponse à l'activité solaire.

Les observations ont soulevé davantage de questions sur la nature et les rôles relatifs des processus physiques qui peuvent être à l'origine des émissions de rayons X aurorales. La plupart de ces questions peuvent être résolues grâce aux observations de NewAthena X-IFU qui associent une sensibilité inégalée à une spectroscopie des rayons X à haute résolution. X-IFU déterminera l'espèce, et donc l'origine (vent solaire ou volcans sur Io, satellite de Jupiter), des ions responsables de l'aurore X douce de Jupiter, et testera les théories sur l'accélération des ions dans la magnétosphère de la planète. Des observations à haute sensibilité des rayons X émis par les lunes galiléennes, les plus grandes lunes de Jupiter, permettront de mesurer la composition de leur surface. L'étude du tore de plasma de Io, une région autour de Jupiter remplie de plasma, mettra en lumière les mécanismes encore inconnus qui alimentent l'émission de rayons X de Io. La recherche d'aurores à rayons X sur Saturne sera beaucoup plus approfondie que ce qui a été possible jusqu'à présent. X-IFU établira une cartographie spectroscopique de l'exosphère de Mars en fonction des conditions du vent solaire et des saisons, ainsi que des comae, une couche nébuleuse autour du centre des comètes transitant dans le voisinage du Soleil, en les utilisant comme sondes des conditions du vent solaire.

X-IFU promet de marquer le début d'un nouvel âge d'or dans l'étude des rayons X du système solaire. De puissantes synergies sont attendues entre ses observations à distance et les mesures in situ qui seront effectuées à la même période par la mission JUICE, en orbite autour de Jupiter.

Exoplanètes

Depuis la première découverte en 1995 par Major et Queloz, la recherche de planètes en orbite autour d'autres étoiles que notre Soleil s'est rapidement orientée vers la caractérisation physique de ces exoplanètes et de leurs atmosphères. Dès le début, il est apparu clairement que les rayonnements X-Ultraviolet (XUV) affectent l'atmosphère des exoplanètes, pouvant les chauffer et les « évaporer » dans l'espace. Comme le rayonnement ultraviolet est absorbé par l'hydrogène neutre sur des distances assez courtes, les rayons X restent l'indicateur le plus efficace pour connaître le rôle de ce rayonnement XUV global sur l'évolution de l'atmosphère des exoplanètes.

Les mesures spectroscopiques X-IFU amélioreront considérablement notre connaissance de l'impact du rayonnement XUV sur les exoplanètes. Il s'agit d'un élément crucial pour comprendre les effets des pertes de masse atmosphérique et, plus généralement, de l'évolution chimique et physique des atmosphères des planètes, en particulier dans les premiers stades de leur évolution. Dans quelques systèmes planétaires sélectionnés hébergeant des Jupiters chauds (exoplanètes géantes gazeuses), X-IFU permettra de rechercher les effets d'entrée, d'éclipse et de sortie des planètes en transit sur l'émission de rayons X de leur étoile hôte. Dans un échantillon plus large de systèmes planétaires, X-IFU pourrait confirmer les preuves d'interactions étoile-planète. Il s'agit d'une question actuellement ouverte, dont l'origine physique est débattue. Elle pourrait être magnétique ou due à de la matière évaporée tombant sur la surface de l'étoile. De telles interactions imprimeront des caractéristiques de variabilité dans l'émission de rayons X. X-IFU pourrait également permettre de découvrir des signatures spectrales inattendues d'atmosphères planétaires induites par le rayonnement de haute énergie et l'émission de particules de leur étoile hôte.

Étoiles massives et de faible masse

Les étoiles, quels que soient leur masse et leur âge, sont capables d'émettre des rayons X. Cette émission à haute énergie est très sensible aux détails des processus physiques en jeu dans les étoiles et aux propriétés stellaires. Cette émission à haute énergie est très sensible aux détails des processus physiques en jeu dans les étoiles et aux propriétés stellaires, constituant ainsi une sonde importante pour ces objets astrophysiques.

Les rayons X émis par les étoiles massives sont dus à leurs vents stellaires puissants, qui en font des éléments clés des processus de rétroaction au sein des galaxies. Cependant, les propriétés des vents stellaires ne sont pas encore parfaitement comprises. Cependant, les propriétés du vent stellaire ne sont pas encore parfaitement comprises. La spectroscopie à haute résolution temporelle avec X-IFU permettra des avancées majeures dans ce domaine. Par exemple, le degré d'inhomogénéité du vent à petite échelle dans les étoiles individuelles sera sondé en examinant les variations à court terme du flux et de la forme des raies dans un large échantillon d'objets. En outre, la cartographie Doppler permettra de déduire les propriétés des structures de vent à grande échelle, en raison de la présence d'un confinement magnétique, d'une activité pulsationnelle ou de caractéristiques de co-rotation - tous ces éléments sont évoqués dans les données actuelles, mais manquent de caractérisation. Dans les systèmes binaires massifs, où deux vents stellaires entrent en collision, des études de profils de lignes seront réalisées pour la première fois. Leur suivi sur l'orbite fournira les conditions immédiates après le choc dans la zone d'interaction du vent ainsi que sa géométrie. Cela nous permettra de tester précisément les processus physiques à l'œuvre.

L'irradiation à haute énergie des disques circumstellaires pendant la formation des étoiles et au début de l'évolution stellaire est cruciale pour l'évolution du disque et, finalement, pour la formation du système planétaire qui en résulte. En déterminant la forme des raies, la variabilité à court terme et la stratification de la densité, X-IFU caractérisera le plasma chauffé dans les chocs dus aux impacts localisés de la matière en accrétion sur la surface stellaire. En parallèle, X-IFU nous permettra d'étudier la phase initiale des éruptions stellaires intenses, y compris les mouvements de masse, ainsi que leur influence sur les disques circumstellaires et/ou l'évolution planétaire précoce. Enfin, les bulles chaudes des nébuleuses planétaires et les émetteurs de rayons X durs en leur centre, déjà détectés par la génération actuelle de télescopes à rayons X, seront caractérisés en détail, ce qui permettra de mieux comprendre la matière perdue au cours des dernières étapes de la vie des étoiles de faible masse.

Restes de supernova

Les restes de supernova (SNR) sont les vestiges d'explosions stellaires dont l'onde de choc se propage dans le milieu interstellaire pendant des dizaines de milliers d'années. Cette onde de choc, qui se propage initialement à une vitesse d'environ 10 000 km/s, chauffe le milieu circumstellaire et la matière éjectée jusqu'à des températures de plusieurs millions de degrés. On pense que ce choc accélère la plupart des rayons cosmiques galactiques.

L'étude des SNR dans la bande des rayons X offre une fenêtre unique pour sonder les mécanismes des explosions stellaires, le rendement de la nucléosynthèse, la physique des plasmas dans des conditions extrêmes et l'accélération des particules.

Les capacités de spectro-imagerie à haute résolution offertes par X-IFU nous permettront d'aborder ces questions clés en cartographiant la température, la vitesse, l'état d'ionisation et l'abondance du gaz le long de différentes lignes de visée dans le reste de l'étoile. Grâce aux mesures du décalage Doppler, une vue 3D des conditions du plasma et de la distribution des éjectas peut être reconstruite, ce qui fournira des contraintes observationnelles 3D sans précédent à comparer avec les simulations numériques d'explosions stellaires.

En se concentrant sur les éléments rares (par exemple, le chrome et le manganèse) dont la ligne d'émission est faible, X-IFU effectuera des mesures précises de l'abondance afin de fournir un aperçu direct de la métallicité du progéniteur de la supernova, et de l'origine dégénérée simple ou double dans les supernovae de type Ia. Dans le cas d'une supernova à effondrement du noyau, ces mesures permettent d'évaluer l'exposition à un rayonnement neutrino intense, un ingrédient clé du mécanisme d'explosion.

Dans l'étude de la physique des chocs, le plasma dans les SNR n'est généralement pas en équilibre d'ionisation et de température. Alors que l'équilibre d'ionisation a été partiellement étudié avec les télescopes de la génération actuelle, l'équilibre de température ne peut être étudié qu'avec des télescopes à haute résolution spectrale et spatiale tels que X-IFU, près de la frontière du vestige. La mesure de l'élargissement de la raie thermique détermine directement la température de l'ion, ce qui nous permet d'estimer la fraction d'énergie cinétique injectée dans l'accélération des particules.

Découvertes scientifiques à travers des cibles d'opportunité

Le ciel des rayons X est dynamique : de nombreuses sources présentent des variations de luminosité extrêmement importantes. L'éventail de ces sources couvre un grand nombre d'objets émettant des rayons X, depuis les éruptions stellaires et les binaires à rayons X dans notre galaxie jusqu'aux objets extragalactiques tels que les sources de rayons X ultra-lumineuses, les perturbations dues aux marées ou les Noyaux Actifs de Galaxies.

Nombre de ces processus dépendants du temps sont causés par l'accrétion de matière sur les objets compacts que sont les trous noirs et les étoiles à neutrons. L'observation de ces phénomènes dynamiques nous permet d'étudier la physique de l'accrétion, qui, après la fusion nucléaire, est le processus de production d'énergie le plus important dans l'Univers.

Dans les binaires à rayons X, par exemple les étoiles à neutrons et les trous noirs qui accrètent de la matière à partir d'une étoile donatrice, les changements dans le taux d'accrétion de masse entraînent des explosions d'une durée d'une semaine ou d'un mois. Dans les binaires à trous noirs, ces explosions suivent toutes le même schéma et présentent différents « états » qui correspondent à différents modes du flux d'accrétion. Par exemple, on a découvert ces dernières années que les disques d'accrétion des binaires à trous noirs à rayons X présentent de forts flux sortants, qui sont similaires aux flux sortants également observés dans certains Noyaux Actifs de Galaxies. Les observations X-IFU des raies d'absorption et d'émission de l'écoulement aideront à comprendre son profil de vitesse et son état d'ionisation, qui sont des éléments importants pour les modèles de vents de disques d'accrétion. Il n'est pas possible de prédire quand une explosion binaire de trou noir se produit, et quand exactement les sources atteindront un état donné. Par conséquent, de telles observations devront être effectuées sur des cibles d'opportunité basées sur des observations de surveillance multi-longueur d'onde de l'éruption.

• Objectif scientifique associé (MDSO) : "Équation d'état des étoiles à neutrons"