Malgré l'armada des satellites fonctionnant dans le X utilisés par les astronomes depuis plusieurs décennies, le domaine du X n'a pas complètement été exploré. C'est notamment vrai pour la mesure de la polarisation des rayons X. Ce sera au programme d'IXPE, le futur satellite de la Nasa (2020). © Nasa

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IXPE, la nouvelle mission de la Nasa pour explorer les trous noirs

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Par Rémy Decourt, Futura

En 2020, l'astronomie du rayonnement X comptera un satellite de plus pour l'étudier. IXPE, c'est son nom, vient d'être sélectionné par la Nasa. Il se différenciera des autres missions par une capacité inédite de mesurer pour la première fois depuis l'espace la polarisation des rayons X émis par les objets les plus extrêmes de l'univers. Christian Gouiffès du Service d'astrophysique au CEA-Saclay nous explique de quoi il est question.

Psyché et Lucy du programme Discovery, ne sont pas les deux seules missions sélectionnées par la Nasa en ce début d'année. Elle a aussi choisi la mission IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) dans le cadre de son programme Explorer (13 autres projets étaient en compétition). IXPE a pour objectif d'étudier pour la première fois des détails cachés de certains des objets astronomiques les plus extrêmes et exotiques de l'univers, tels les trous noirs, les étoiles à neutrons ou les pulsars. Pour cela, il mesurera la polarisation des rayons X émis par l'environnement surchauffé autour de ces objets et se focalisera sur la physique de l'accrétion.

Ce satellite sera construit par Ball Aerospace et sera doté de détecteurs de rayons X, sensibles à la polarisation, fournis par l'Agence spatiale italienne. D'un coût d'environ 188 millions de dollars, IXPE sera lancé en 2020. Il succédera et rejoindra en orbite une constellation de nombreux autres satellites X, preuve de l'intérêt de cette longueur d'onde dans l'observation du ciel. Jusqu'à présent, seuls des ballons et des fusées-sondes avaient été utilisés pour observer cette polarisation dans le cosmos.

Christian Gouiffès, du Service d'astrophysique au CEA-Saclay nous explique les caractéristiques de cette mission qui ouvrira une nouvelle fenêtre sur l'univers et dont les observations ne manqueront pas de nous étonner.

Comment se distingue IXPE des satellites fonctionnant dans le domaine des rayons X ?

Christian Gouiffès : Ce satellite à rayons X se différencie des satellites X actuellement en opération (par exemple XMM-Newton de l'ESA ou Chandra de la Nasa) essentiellement par le type de détecteur placé au plan focal des télescopes. Ce dernier répond à un besoin scientifique qui dans le cas de IXPE est la mesure de polarisation des sources célestes, un paramètre physique qui requiert un dispositif expérimental de détection particulier. Dans tous les cas, le rayonnement X incident est focalisé sur un plan de détection.

Ce satellite signe une avancée technique ?

Christian Gouiffès : Oui, car jusqu'à présent, les types de détecteurs ont été optimisés pour l'imagerie et la spectroscopie X à l'aide de CCD sensible aux rayons X (analogue en quelque sorte aux caméras CCD placées aux foyers des télescopes optiques). Ces dispositifs de plus en plus performants, utilisés avec succès par les observatoires spatiaux X actuels, permettent de fournir des images ou des cartes du ciel dans ce domaine d'énergie des rayons X, révélant la structure spatiale des objets célestes visés ou de décomposer leur lumière X en fonction de leur énergie (spectroscopie), un diagnostic apportant des informations sur la nature chimique du milieu (éléments émetteurs du rayonnement). IXPE met à profit un type de détecteur innovant, inventé et développé par des équipes italiennes partenaires du projet, basé sur un système d'imagerie sensible à la polarisation de la lumière incidente.

Vue d’artiste d’un trou noir géant au centre de son disque d’accrétion © Nasa, JPL-CalTech.

Ce satellite associe donc deux modes d’observation ?

Christian Gouiffès : Oui. En associant capacité d'imagerie et mesure de la polarisation, le satellite livrera avec une instrumentation unique des informations importantes sur les propriétés et les caractéristiques des sources observées.

C’est donc là que réside l’originalité du projet ?

Christian Gouiffès : Oui, en effet, malgré de nombreuses tentatives qui se sont heurtées à divers problèmes, dont des difficultés technologiques, pratiquement aucune mission spatiale X n'a eu au cœur de son programme la détection de la polarisation X des sources célestes. Or, la polarisation de la lumière est une information de premier plan et un paramètre important pour mieux comprendre la physique des objets (structure et amplitude du champ magnétique du milieu local par exemple). Cette carence est en quelque sorte réparée avec l'acceptation du projet IXPE.

IXPE va ouvrir une nouvelle fenêtre sur l’univers ?

Christian Gouiffès : En effet. La mise au point de détecteurs très performants après des années d'étude vient de changer le panorama. Citons en premier lieu, au cœur de ces développements, les équipes provenant de laboratoires de recherche italiens, dont celui du professeur Enrico Costa (ASI/INAF). L'acceptation par la Nasa du projet IXPE (équipé des détecteurs italiens) mais également la présélection par l'ESA, l'Agence spatiale européenne, de la mission XIPE (X-ray Imaging Polarimetry Explorer, mission M4, lancement en 2025) prouve la maturité et l'originalité du projet. Ces deux missions ont en commun le plan de détection, des détecteurs pixélisés sensibles à la polarisation de la lumière X, provenant des équipes italiennes. Ce projet IXPE va ainsi permettre de compléter l'étude des sources X célestes sous un œil nouveau, celui de l'analyse du rayonnement polarisé. Structure et organisation du champ magnétique au cœur du système visé sont maintenant à la portée des scientifiques. Les missions IXPE de la Nasa et XIPE de l'ESA viennent compléter et enrichir l'étude du ciel en rayons X. 

Quel est le principal intérêt d’observer la polarisation en X ?

Christian Gouiffès : La polarisation de la lumière donne accès, quelle que soit la longueur d'onde étudiée, à des informations sur l'origine du rayonnement et la nature du milieu dans lequel il se propage. Dans le cas des rayons X, rayonnement très énergétique, elle apporte des informations sur le milieu situé au plus près de la zone d'émission. Liée par nature à la composante électromagnétique du rayonnement, la polarisation permet de remonter et/ou tracer le contenu en densité magnétique du milieu et son organisation. Pour ne noter que quelques objets haute énergie emblématique, citons les restes de supernova, l'environnement proche de pulsars actifs ou à plus grande échelle, les noyaux actifs de galaxie.

Quelles sont les attentes de la communauté des astronomes travaillant dans cette longueur d’onde, en termes de retour scientifique ou d’avancées ?

Christian Gouiffès : L'intérêt principal de ce projet réside dans le fait qu'une mission spatiale à rayons X dédiée dont le premier objectif est la mesure de polarisation est en route. Le potentiel de l'étude de la polarisation de la lumière X des sources célestes voit dans l'acceptation de ce projet de la Nasa, en même temps que la présélection da la mission M4 de l'ESA XIPE, une avancée majeure dans un domaine qui n'était pas accessible, sauf pour les objets les plus brillants. 

Le nombre et la variété de sources célestes détectables apparaissent donc très prometteurs ?

Christian Gouiffès : Effectivement oui. Ils ouvrent des pistes intéressantes, inexplorées sur la nature des phénomènes d'émission de rayonnement X au cœur de ces systèmes à travers l'analyse d'une propriété particulière de sa lumière, sa polarisation.

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