Le ciel dépeint en rayons X. © Nasa, Nicer

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Le ciel en rayons X comme vous ne l'avez jamais vu !

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L'essor de l'astronomie X a presque 50 ans bien que ses débuts soient plus anciens. Aujourd'hui, l'instrument Nicer à bord de l'ISS observe la voûte céleste pour tenter de percer les secrets de la matière dans les étoiles à neutrons grâce à sa vision X. Il permet aussi de tester le concept d'un GPS pour la navigation interplanétaire en se basant sur les balises cosmiques que sont les pulsars.

Cela fera bientôt quatre ans déjà que la fenêtre des ondes gravitationnelles s'est ouverte en astronomie. Elle nous permet de faire des observations nouvelles concernant des astres décrits par la théorie de la relativité générale, les étoiles à neutrons et les trous noirs. Il y a 70 ans, une autre fenêtre d'observation s'était ouverte, celle des rayons X lorsqu'une fusée V2 avait emporté un détecteur pour observer le rayonnement du Soleil dans cette bande de longueurs d'onde, une grande première pour l'époque. Les rayons X étant facilement stoppés par l'atmosphère (mais pas par le milieu interstellaire, des rayons X de longueurs d'onde inférieures à un nanomètre pouvant traverser de part en part la Voie lactée), on savait que l'on ne pouvait pas observer ce rayonnement prédit théoriquement à partir de la détermination de la température très élevée du plasma de la couronne solaire (106 K) sans sortir de l'atmosphère.

L'essor de l'astronomie X

Mais il ne s'agissait pas encore de mettre en orbite un satellite. Il faudra attendre pour cela l'année 1970 avec le lancement d'Uhuru (« liberté » en swahili), nommé ainsi pour remercier le Kenya qui hébergeait dans ses eaux continentales la plateforme, d'où a été lancé le satellite, le 12 décembre, jour de l'anniversaire de l'indépendance du Kenya.

Une présentation de l'Histoire de l'astronomie X. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © University of California Television (UCTV)

Ce fut une révolution avec la réalisation en quelques années de la première carte de la voûte céleste en rayons X et la découverte, ou l'étude plus précise, de plusieurs centaines de sources dont certaines sont devenues célèbres comme Centaurus X-3, le premier pulsar X découvert et Cygnus X-1, le premier candidat au titre de trous noirs. Derrière ce succès, se trouvait le groupe du prix Nobel de physique italo-états-unien Riccardo Giacconi, décédé le 9 décembre 2018 à l'âge de 87 ans, qui avait découvert Scorpius X-1 en 1962, la première source connue de rayons X en dehors du Système solaire.

D'autres instruments dans l'espace vont suivre comme le satellite Einstein qui, de novembre 1978 à avril 1981, a livré les premières images des restes de supernovae et découvert les émissions X des amas de galaxies, les jets X de Centaurus A et M87. Depuis une vingtaine d'années, l'astronomie X s'est considérablement développée grâce à des télescopes comme Chandra et XMM-Newton. On connaît maintenant plusieurs centaines de milliers de sources dont nombreuses en dehors de la Voie lactée.

Une présentation de Nicer. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

Nicer et le mystère des étoiles à neutrons

L'un des derniers instruments en date qui a rejoint l'espace s'appelle Neutron Star Interior Composition Explorer (Nicer). Il est à bord de la Station spatiale internationale depuis le 3 juin 2017. La Nasa vient de faire savoir, tout récemment, qu'au bout de 22 mois d'observation il avait livré une carte du rayonnement X « mou », c'est-à-dire à basses énergies (0,2-12 keV) de la voûte céleste.

Les objectifs de Nicer sont très spécialisés. Le tout premier concerne l'étude des étoiles à neutrons dont il doit notamment livrer les meilleures estimations à ce jour des diamètres, avec une précision de 5 %. D'autres caractéristiques sont mesurées qui concernent l'évolution dans le temps de ces astres compacts via leurs émissions X. Au final, on devrait pouvoir préciser la structure interne, la composition et l'état de la matière dans les étoiles à neutrons qui restent toujours mal comprises.

Cette image de tout le ciel montre 22 mois de données en rayons X enregistrées par Nicer. Certaines sources sont des étoiles à neutrons, d'autres des trous noirs (black hole). Les lignes que l'on voit proviennent du fait que Nicer effectue des mouvements périodiques pour se pointer vers des sources X bien précises, ce qui laisse les traces de ces mouvements (voir la vidéo ci-dessous). © Nasa/Nicer

Enfin, Nicer possède un instrument baptisé Sextant pour Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology qui permet d'identifier précisément en rayons X des pulsars connus. On sait que ces étoiles à neutrons pulsantes sont de véritables phares radio dans l'espace interstellaire. Ce sont aussi d'excellentes horloges très stables, et cela fait seulement quelques années que l'on est capable de construire des horloges atomiques plus stables que ces objets naturels. On peut donc s'en servir comme de balises pour s'orienter dans l'espace et naviguer dans le Système solaire de façon autonome. Ainsi, Sextant permet de travailler à la réalisation d'une sorte de GPS avec les pulsars pour les futures missions interplanétaires.

De fait, dès les années 1970, on savait que l'on pouvait s'en servir pour se localiser dans la Voie lactée, c'est pourquoi la position de la Terre a été indiquée par rapport aux pulsars sur la fameuse plaque en or d'une des sondes Pioneer et sur le célèbre Golden Record des sondes Voyager.

Un time-lapse de Nicer en observation. © Nasa Goddard

  • Des rayons X sont émis par des gaz portés à des températures très élevées, par exemple à un million de degrés, qui se transforment alors en plasma.
  • On rencontre de tels plasmas à hautes températures, notamment lors de l'accrétion de la matière par des astres compacts comme les étoiles à neutrons et les trous noirs.
  • L'astronomie X étudie depuis des décennies les sources X et par exemple aujourd'hui avec l'instrument Nicer, à bord de l'ISS.
  • Une carte de ses observations a été révélée. Observations qui doivent permettre de mieux comprendre l'état de la matière dans les étoiles à neutrons et de les utiliser, lorsqu'elles sont des pulsars, comme des balises galactiques pour la navigation interplanétaire.
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