Nouveau départ pour l’astronomie X

Le 12 février va être lancé depuis le centre spatial de Tanegashima l’un des télescopes spatiaux les plus attendus du moment : ASTRO-H. Le télescope de près de 3 tonnes, emporté par un lanceur H-IIA,  est le sixième télescope à rayons X construit par l’Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) de l’agence spatiale japonaise JAXA (le précédent était le télescope Suzaku). Mais cette fois-ci il a été conçu dans  une très large collaboration, avec le concours de 70 institutions au Japon, en Europe (notamment l’ESA et en France le CEA), aux Etats-Unis avec le Goddard Space Flight Center de la NASA et au Canada. 

ASTRO-H en cours de préparation en novembre 2015 (JAXA)

L’objectif de ASTRO-H est multiple, il devrait permettre, grâce à ses performances exceptionnelles, de grandes avancées dans l’exploration de l’Univers par ses événements les plus violents (impliquant l’émission de rayons X et de rayons gamma).

ASTRO-H sera notamment exploité, grâce à ses cinq instruments d’imagerie et de spectroscopie de très haute performance, pour l’étude de l’évolution des amas de galaxies, pour observer le comportement de la matière en champs gravitationnels extrêmes, pour étudier la rotation des trous noirs et la matière des étoiles à neutrons, pour scruter les phénomènes d’accélération de particules apparaissant dans les amas de galaxies et les supernovas, ainsi que pour étudier en détails la physique des jets de matière et de rayonnement produits par les trous noirs, cette liste n’étant bien sûr pas exhaustive.

ASTRO-H apporte des innovations majeures par rapport aux télescopes X aujourd’hui en fonction comme Suzaku,  Chandra-X-Ray Observatory, XMM-Newton ou NuStar. Avec ses instruments scientifiques, il sera à même de produire pour la première fois une imagerie spectroscopique sur des rayons X « durs » (d’énergie supérieure à 10 keV), mais également de fournir une résolution en énergie extrêmement élevée (seulement 7 eV de résolution dans la bande 0,3-10 keV, la meilleure jamais atteinte en orbite), et le tout sur une très large gamme d’énergie s’étalant entre 300 eV et 600  keV.

Vue d’artiste de ASTRO-H (Akihiro Ikeshita / JAXA)

L’astronomie X, s’attachant à la détection des photons énergétiques émis par les phénomènes astrophysiques les plus violents, n’a été rendue possible qu’à partir de l’avènement des instruments en orbite. En effet, l’énergie élevée de ces photons leur est fatale lorsqu’ils arrivent dans l’atmosphère terrestre et ses quelques kilomètres de gaz dense. Les rayons X et gamma sont suffisamment énergétiques pour ioniser les atomes d’azote ou d’oxygène ou être diffusés par leurs électrons,  et donc être fortement atténués ou absorbés avant de parvenir au niveau du sol.

Les premières observations en orbite furent effectuées dès 1962 par une fusée américaine Aerobee, qui permit d’identifier la première source X lointaine, Scorpius-X1. Mais le premier véritable télescope à rayons X fut le télescope américain Einstein lancé en 1978 et qui produisit de nombreuses données inédites jusqu’en 1981.

Les européens ne furent pas en reste avec le lancement du télescope ROSAT en 1990, qui réussit à cartographier plus de 120 000 sources X jusqu’en 1999. On peut également citer le télescope américain RXTE en activité durant 16 ans entre 1995 et 2011 à qui on doit de très nombreuses découvertes dans le domaine des objets compacts, étoiles à neutrons ou trous noirs. Mais les télescopes spatiaux à rayons X les plus performants aujourd’hui sont sans conteste l’américain Chandra X-Ray Observatory, et l’européen XMM-Newton, lancés tous les deux en 1999 (à quatre mois d’intervalle), et souvent utilisés ensemble aujourd’hui pour valider des observations sortant des sentiers battus.

Chandra comme XMM-Newton ont été conçus pour analyser et imager des rayons X mous, d’énergie inférieure à 10 keV. Chandra était un grand projet dans les cartons de la NASA depuis la fin des années 1970 à l’instar du télescope Hubble, tandis que XMM-Newton était lui plutôt la suite logique de ROSAT, avec des améliorations technologiques et plus de contributeurs partout en Europe. Les découvertes que ces deux télescopes ont produites depuis plus de 15 ans sont innombrables et touchent à tous les domaines de l’astrophysique des phénomènes violents.

Manquaient néanmoins jusqu’à récemment la possibilité d’étudier des rayons X un peu plus énergétiques, des rayons X « durs ». Le vide a été comblé tout d’abord par les japonais avec Suzaku en 2005 puis par la NASA en 2012 avec la mise en orbite du télescope NuSTAR, capable d’imager des photons X jusqu’à 80 keV, venant ainsi compléter très efficacement les deux autres grands observatoires X.

Vue d'artistes des quatre télescopes X en activité aujourd'hui (NASA, JAXA, ESA)

Suzaku est le nouveau nom qui avait été donné à ASTRO-E2 une fois en orbite, selon la tradition japonaise. Ce dernier a hélas connu une histoire mouvementée. Il a été lancé une première fois en 2000 mais a été perdu dans l’explosion du lanceur. Il fut refabriqué à l’identique pour être à nouveau lancé en 2005, avec succès cette fois-ci, mais de courte durée car il subit une perte de gaz de refroidissement deux semaines à peine  après être arrivé en orbite, perdant l’un de ces trois instruments.

L’astronomie X au Japon est une longue histoire. Suzaku était déjà le cinquième télescope X japonais. Le premier de la série remonte à 1981, avec ASTRO-A (renommé Hinotori), petit télescope d’à peine 200 kg dédié à l’étude des rayons X du Soleil. ASTRO-B (Tenma), guère plus gros, fournit de précieuses données sur les sources X variables et leurs caractéristiques spectrales entre 1983 et 1985. Il fut suivi par ASTRO-C (Ginga), plus imposant et emportant déjà un double système de détection pour observer à la fois les rayons X mous et les rayons gamma, à la recherche simultanément de trous noirs actifs, de pulsars X, des raies d’émissions caractéristiques du fer, et de l’apparition de bouffées de rayons gamma. Ginga a été actif entre 1987 et 1991 et laissa ensuite la place au télescope Asca (ASTRO-D) qui fut actif plus longtemps, entre 1993 et 2000, date à laquelle il fut perdu à cause d’une tempête magnétique… sans pouvoir être immédiatement remplacé par le futur Suzaku.

Mais Suzaku, comme XMM-Newton, Chandra et même NuSTAR sont des télescopes qui commencent aujourd’hui à vieillir et ce n’est sans doute pas un hasard si les américains et les européens participent aujourd’hui activement au développement de ASTRO-H. Car ASTRO-H fait la synthèse de tous les télescopes X précédents en en gardant le meilleur. Il permettra d’atteindre de bien meilleures performances que les meilleurs instruments actuellement en orbite, et finira par les supplanter très vite.

Principe du télescope à rayons X (focalisation de Wolter)
(Goddard Space Flight Center/NASA)

Il faut se souvenir que les rayons X sont suffisamment énergétiques pour traverser un miroir de télescope. La focalisation des rayons X est ainsi rendue beaucoup plus complexe que celle plus classique adaptée aux rayonnements allant des UV aux infra-rouges ou aux ondes radio. Les solutions généralement retenues pour focaliser des photons X est d’utiliser le principe de Wolter, qui utilise la diffusion rasante, par les phénomènes de réflexion totale externe et de diffusion de Bragg : une série de multiples petits « miroirs » cristallins multicouches (de carbone et platine par exemple) tapissent la paroi interne d’une structure cônique, et permettent de guider les rayons X avec une incidence rasante de miroir en miroir au niveau des parois vers le plan focal. Ce principe de focalisation de par les petits angles en jeu, résulte en des formes de télescopes très allongées, avec des longueurs pouvant atteindre une dizaine de mètres. C’est aussi le cas avec ASTRO-H qui possède une longueur focale maximale de 12 m.

Les instruments embarqués sur ASTRO-H sont regroupés en quatre télescopes, deux pour les X mous et deux pour les X durs, ainsi que d’un détecteur de rayons gamma, tous montés sur un banc unique avec une distance focale de 6 m pour ceux dédiés aux rayons X mous et 12 m pour les rayons X durs (voir encadré).

Rayons X de 300 eV à 10 keV (rayons X « mous ») ·         Soft X-ray Spectrometer (SXS) Le SXS est composé d’un système de focalisation, le Soft X-ray Telescope (SXT-S) et d’un détecteur, le X-ray Calorimeter Spectrometer (XCS). Le calorimètre XCS est une véritable prouesse technologique, le semiconducteur de tellurure de mercure utilisé ne fait que 8 microns d’épaisseur et pour atteindre la résolution en énergie record de 7 eV seulement, il doit être refroidi à la température de 50 mK (50 millièmes de degrés au-dessus du zéro absolu). Son champ de vue sera de 2,85 minutes d’arc de côté. En termes de surface effective pour les X mous, ASTRO-H fera mieux que son prédécesseur Suzaku de plusieurs dizaines de pourcents. L’instrument SXS est particulièrement bien adapté pour étudier les raies d’émission du fer de type K, qui permettent de révéler ce qui se passe dans des plasmas à des températures de l’ordre de 108 K que l’on trouve dans les disques d’accrétion stellaires, les résidus de supernovas, ou encore les amas de galaxies. La grande force de SXS est qui peut produire des spectres de sources étendues. Sa résolution en énergie est insensible à la taille de la source astrophysique. Il permet ainsi des mesures spectroscopiques à haute résolution en énergie encore jamais atteintes par les autres instruments du même type. ·         Soft X-ray Imager (SXI) Le SXI est lui aussi composé d’un « télescope », nommé SXT-I, système de multi-miroirs, et d’un détecteur, un imageur déployant un capteur CCD de nouvelle génération qui captera des photons dans la gamme de 0,5 à 12 keV, nommé SXI. SXI couvrira un grand champ de 35 minutes d’arc de côté, venant compléter le champ plus petit du calorimètre de SXS. Le SXI est lui aussi refroidi, mais « seulement » à -120° (150 K). Le système de miroirs associé a une longueur focale de 6 m pour un diamètre de seulement 45 cm. Rayons X de 5 keV à 80 keV (rayons X “durs”) Le système de détection dédié aux rayons X durs est composé de deux télescopes identiques redondants, composés d’un système de focalisation et d’un détecteur, nommés respectivement HXT (Hard X-ray Telescope ) et HXI (Hard X-ray Imager). ·         Hard X-ray Telescope (HXT) La structure particulière de focalisation des rayons X fait que la surface effective varie en fonction de l’énergie du photon incident. Pour des rayons X de 30 keV, la surface effective offerte par le HXT est de 300 cm². ·         Hard X-ray Imager (HXI) Le HXI produira des images en rayons X sur la gamme de 5 keV à 80 keV. Il est constitué d’un détecteur à quatre couches de 0,5 mm de silicium (détecteurs SSD) surmontées d’une couche de de tellurure de cadmium (CdTe). Les rayons X de plus faible énergie (entre 5 et 30 keV) sont absorbés dans le silicium et les plus énergétiques (de 20 à 80 keV) dans la seconde couche semi-conductrice. De plus, ce détecteur pixelisé est plongé à l’intérieur d’un détecteur scintillateur de germanate de bismuth (BGO) qui aura pour vocation de rejeter très efficacement le bruit de fond. Rayons gamma (de 100 keV à 600 keV) ·         Soft Gamma-ray Detector (SGD) Le SGD n’est pas un imageur, mais plutôt un multi-détecteur de photons énergétiques ressemblant au satellite Fermi mais dans une variante  à plus basse énergie. Il ne peut pas  focaliser les rayons gamma arrivant, mais il les détecte en mesurant leur direction d’origine. SGD surpasse les précédents instruments similaires par un rejet très efficace du bruit de fond grâce à la technique innovante du « télescope Compton à champ de vue étroit ».  Le concept repose sur la recherche d’interactions doubles des photons énergétiques : une première interaction par diffusion Compton (diffusion élastique) dans la première partie du détecteur en silicium et une seconde interaction par photo absorption dans le segment suivant (en CdTe). Cette astuce permet, grâce à la connaissance des énergies déposées à chacune des interactions et de leur localisation, et grâce à la connaissance de la cinématique de la diffusion Compton, d’en déduire la direction d’origine du photon initial (un cône dans le ciel) et ainsi de nettoyer complètement le signal des signaux parasites signés par un cône d’arrivée reconstitué qui ne correspondrait pas avec le champ de vue défini par le collimateur placé devant le détecteur.

Les potentielles découvertes de ASTRO-H sont très nombreuses tant ses performances attendues dans une si vaste plage en énergie sont remarquables et utiles pour l’étude de nombreux domaines. Les applications d’ores et déjà envisagées ont été décrites dans une série de 16 white papers signés  fin 2014 par plus de 250 astrophysiciens impliqués dans la collaboration scientifique exploitant ASTRO-H.

La source X ultra-lumineuse M82-X2, produite par un pulsar,
a été mise en évidence par Chandra et Nustar.
(Chandra X-Ray Observatory/NASA)

On y retrouve pêle-mêle la physique des naines blanches, les phénomènes magnétiques, d’accrétion et de chocs, les binaires X, les pulsars accrétant et autres magnétars, les trous noirs de toutes tailles, les jeunes et moins jeunes résidus de supernovas, les nébuleuses de vent de pulsar, la dynamique du plasma du centre galactique, le gaz interstellaire et circumgalactique dans la Voie Lactée et d’autres galaxies, le gaz chaud des amas de galaxies, les noyaux actifs de galaxies, les phénomènes d’accélération de rayons cosmiques, ou encore l’évolution chimique de l’Univers jeune...

Et parmi toutes ces applications, il en est  une qui intéresse tout particulièrement les chasseurs de matière noire. Depuis quelques années en effet, des observations de certains centres de galaxies et d’amas de galaxies, effectuées avec XMM-Newton et Chandra,  ont montré la présence d’une raie d’émission de rayons X située à environ 3,55 keV. Cette raie inconnue peut être interprétée comme le résultat de la désintégration de particules pouvant former la matière noire (des neutrinos stériles). Mais cette raie se trouve également proche en énergie d’une raie potentiellement attribuable à du potassium fortement  ionisé qui pourrait être présent dans ces mêmes zones. Or, ni XMM-Newton ni Chandra n’ont la résolution en énergie suffisante pour pouvoir trancher. Mais ASTRO-H, lui, devrait fournir une réponse très claire grâce à sa résolution en énergie hors du commun, et ce en très peu de temps. Le mystère de la raie à 3,55 keV qui court depuis quatre ans sera résolu par ASTRO-H à n’en pas douter dans les mois qui viennent.

L’astronomie X voit un nouveau départ avec ce bijou de technologie unique qui va prendre son nouveau nom une fois en orbite, pour y rester au moins 7 ans. Avec ASTRO-H, le Japon s’affirme comme la grande puissance scientifique incontournable pour l’étude des processus extrêmes de l’Univers.