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Télescope spatial XMM-Newton : dix ans d'observations révolutionnaires

ActualitéClassé sous :Astronomie , XMM-Newton , Didier Barret

Lancé en décembre 1999 par une fusée Ariane 5, XMM-Newton a révolutionné l'astronomie des rayons X, qui observe les objets stellaires à des longueurs d'onde de l'ordre de l'angström ou des énergies de l'ordre du kiloélectron-volt (keV). Didier Barret, astronome et spécialiste des trous noirs, nous explique les étonnantes découvertes permises par cet instrument.

Le catalogue de sources recensées par XMM-Newton contient près de 300.000 sources, couvrant une très grande variété d'objets. © XMM-LSS survey

Cet observatoire dédié à l'Univers extrême « n'a pas déçu les attentes des astronomes » comme nous l'explique Didier Barret, directeur de recherches au CNRS en poste au Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements de Toulouse et rattaché à l'Université Paul Sabatier et l'Observatoire Midi-Pyrénées. Il a révélé un « Univers peuplé de source X qui sont certainement des noyaux de galaxies actives », autrement dit des trous noirs super massifs qui accrètent la matière environnante. La sensibilité et la surface collectrice de ses miroirs a permis de « détailler avec une précision inégalée tous les phénomènes associés aux sources X observées » et partant de là de mieux les comprendre. Il a permis l'observation de ces objets avec « beaucoup plus de détails par rapport à ce que l'on a pu faire avant et révolutionné notre vision de l'Univers de l'extrême ».

On retiendra que XMM-Newton a ouvert une fenêtre sur l'Univers profond grâce à sa sensibilité exceptionnelle. « Cela nous a permis de voir des sources X beaucoup plus loin et beaucoup plus faibles. » Ce télescope a montré que l'on pouvait utiliser les rayons X produits à proximité des objets compacts pour comprendre la physique des champs gravitationnels extrêmes.

Pour Didier Barret, XMM-Newton a révolutionné notre vision des objets galactiques. « Il a bouleversé ma vision des sources X galactiques en montrant qu'à partir de la seule émission X il est possible de comprendre vraiment la physique de ces objets » et de « remonter aux paramètres macroscopiques fondamentaux qui caractérisent les objets compacts (masse, rayon, moment angulaire) ».

A quelle vitesse tournent les trous noirs ?

XMM-Newton a fait progresser de nombreux thèmes de recherche dont celui des trous noirs. Voilà qui tombe bien pour Didier Barret, un des spécialistes de leur étude. Ce chercheur nous explique que l'on a aujourd'hui une meilleure connaissance de l'environnement proche des trous noirs.

XMM-Newton permet une meilleure compréhension des processus d’accrétion de la matière par un objet compact comme un trou noir ou une étoile à neutrons (image : vue artistique d'un trou noir supermassif).

« J'aurais tendance à dire qu'on sait mieux appréhender la physique des parties internes des disques d'accrétion autour des trous noirs. C'est un des grands résultats de XMM-Newton qui a fait l'objet de nombreuses publications » et d'expliquer qu'en parvenant à modéliser les émissions X en provenance des trous noirs, « on a pu mesurer le moment angulaire de plusieurs trous noirs (stellaires ou supermassifs) et montrer que dans la plupart des cas celui-ci était proche de la valeur maximale ». Reste à comprendre comment on accélère la rotation des trous noirs...

On doit à Didier Barret et à son équipe du CESR la découverte d'une source X qui est selon toute vraisemblance un trou noir de masse intermédiaire, entre les trous noirs de masse stellaire, de trois à vingt masses solaires qui se forment à la suite de l'effondrement gravitationnel des étoiles massives, et les trous noirs super massifs, de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires qui se trouvent au centre des galaxies.

Représentation artistique de la source X, nommée HLX-1. © Heidi Sagerud

Cette découverte que l'on peut considérer comme majeure « pourrait expliquer la formation des trous noirs super massifs ! » Leur formation est encore fortement débattue. L'une des hypothèses est que les trous noirs super massifs se forment par l'accrétion de trous noirs de masse intermédiaire (de 500 à 10.000 masses solaires). En découvrir un est donc un résultat très important car c'est « la preuve la plus solide de l'existence de ce type d'objets dans l'Univers. »

Les mystérieuses étoiles à neutrons

Les étoiles à neutrons figurent parmi les objets les plus denses de l'univers. Elles concentrent une masse équivalente à celle du Soleil dans une sphère dont le diamètre est de l'ordre de 10 km. Seule leur masse les différencie des trous noirs. On pense que la masse maximale d'une étoile à neutrons est d'environ 3 fois la masse du Soleil. Au-delà de cette taille les étoiles ne sont pas stables.

Sur cette question, « XMM-Newton a permis de contraindre l'état de la matière qui compose le cœur de l'étoile à neutrons ». Une performance remarquable car, plus on se rapproche du cœur de l'étoile et moins on connaît de choses. « La matière se trouve dans des conditions de densité extrême, des densités supra nucléaires. » Pour y voir plus clair, les chercheurs ont besoin de mesurer la masse et le rayon de ces étoiles. En effet établir un rapport entre ces deux grandeurs permet de calculer sa densité. Avant le lancement de XMM-Newton, aucun instrument n'était capable de fournir les mesures nécessaires. Grâce à l'observatoire de l'Esa, « les astronomes ont pu mesurer, pour la première fois, le rapport entre la masse et le rayon d'une étoile à neutrons et obtenir ainsi une première série d'indications sur sa composition ».

Parmi les autres résultats importants, on citera l'observation d'effets de la relativité générale, comme la distorsion de raies de fluorescence du fer. Pour Didier Barret, « l'observation d'effets relativistes à proximité des trous noirs avec une telle précision et un niveau de détail est une très bonne surprise » et d'ajouter « ça colle bien au modèle ».

Pour conclure, partout où XMM-Newton a été utilisé à son maximum, « c'est-à-dire partout où sa sensibilité extrême était nécessaire », il a révolutionné la physique et l'astrophysique...

L’après XMM-Newton

« Les leçons de XMM-Newton montrent que pour franchir un palier », le télescope qui lui succédera devra avoir plus de sensibilité. Les scientifiques souhaitent une surface collectrice de photons à peu près 20 fois plus grande et une focale également plus longue que celle de XMM-Newton qui est de 7,5 m de façon « à aller vers les hautes énergies vers les 40 KeV ».

Avec IXO (International X-ray Observatory), le successeur de XMM-Newton, on s'attend à atteindre des objets situés à des redshifts (décalages vers le rouge de la lumière qui nous en parvient) proches de 10. Typiquement, XMM-Newton limite ses observations à des redshifts de 1 à 2. Il devrait alors être possible de « voir les premiers trous noirs formés dans l'Univers », ce qui nous aidera à comprendre comment se forment les trous noirs de plusieurs milliards de masses solaires. Ce que l'on veut, « c'est mesurer la masse des trous noirs en construction en fonction du décalage vers le rouge et trouver les premiers trous noirs primordiaux qui vont donner naissance aux galaxies que l'on observe aujourd'hui ».

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