Le chant d'outre-tombe du télescope Hitomi

Vous vous souvenez certainement de la défaillance en avril dernier du télescope spatial japonais Hitomi dans lequel la communauté scientifique mettait de grands espoirs. Et bien, avant sa perte définitive, Hitomi a quand même eu le temps de produire, durant trois petites semaines, des données d’observation qui se révèlent excellentes et très riches d'enseignements.

Ce sont des observations de mouvements de gaz chaud à l’intérieur d’un amas de galaxies qu’une équipe d’astrophysiciens avait décidé d’effectuer avec Hitomi dès sa mise en orbite, sans attendre la fin de toutes les calibrations des nombreux instruments équipant le télescope. Et ils ont bien fait quand on connaît la suite de l’histoire…

L’amas de galaxies observé est le célèbre amas de Persée. Les mesures des vitesses du gaz chaud à l'intérieur des amas de galaxies permet de "voir" la turbulence de ces objets, ainsi que les flux qui sont liés à l'histoire de l'amas et ceux qui sont associés aux trous noirs supermassifs qui y logent. Les niveaux de turbulence mesurés permettent aussi aux spécialistes de déduire certains paramètres cosmologiques fondamentaux. Il faut garder à l'esprit que dans les amas, la masse de gaz est beaucoup plus importante que la masse de toutes les étoiles de toutes leurs galaxies...

Alors que ces vitesses de gaz avaient jusque là été estimées de manière indirecte, Hitomi a permis à l'équipe de la collaboration Hitomi pour la première fois de la mesurer directement, et avec une très bonne précision. C'est grâce au spectromètre à rayons X de basse énergie unique du télescope japonais qu'ils ont pu faire cette mesure. L'amas de Persée est le seul objet du ciel qu'a eu le temps d'observer Hitomi avant sa défaillance.

Le modèle le plus généralement admis aujourd'hui est un modèle bottom-up : les petites structures (les galaxies) se forment tout d'abord, puis elles fusionnent entre elles pour donner des galaxies plus grosses, qui vont ensuite se rapprocher pour former des groupes de galaxies, qui formeront ensuite des amas puis des superamas.

Parmi les paramètres cosmologiques les plus importants se trouvent la quantité de matière noire et la quantité d'énergie noire, qui impliquent des histoires différentes pour la formation des amas en fonction de leur valeur. La distribution de masse des amas, observée en fonction du temps cosmique, peut ainsi apporter des contraintes sur ces paramètres cosmologiques. Mais la distribution de masse des amas individuels doit être mesurée de façon robuste pour pouvoir contraindre avec une grande précision les paramètres du modèle.

Les amas de galaxies contiennent typiquement entre 50 et plusieurs milliers de galaxies, engluées dans de vastes quantités de matière noire et de gaz chaud diffus qui émet des rayons X (la température de ce gaz dans le cas de l'amas de Persée est de l'ordre de 50 millions de degrés). Ce sont ces rayons X que Hitomi a détecté. Et son spectromètre pouvait mesurer très précisément d'infimes variations de longueurs d'ondes dues au décalage Doppler produit par des variations de vitesses de la source d'émission. L'amas de Persée a été choisi comme première cible pour Hitomi parce qu'il est l'amas de galaxies le plus brillant en rayons X que l'on connaisse et il a déjà été étudié par de nombreux autres télescopes à rayons X comme Chandra, XMM Newton ou Suzaku. L'amas de Persée représentait donc un excellent test comparatif des performances de Hitomi.

La galaxie centrale de l'amas (NGC 1275) possède un trou noir supermassif dans son centre et des jets de particules de haute énergie en sortent pour produire de larges bulles au sein du gaz diffus de l'amas.

L'étude de Aharonian  et ses collègues s'est portée sur les mouvements de gaz associés aux jets de ce trou noir supermassif, ainsi que les turbulences apparaissant tout autour. Les astrophysiciens trouvent que les vitesses du gaz sont plutôt faibles, environ 150 km/s. Cela a pour conséquence notamment que la pression additionnelle ajoutée par la turbulence représente seulement quelques pourcents de la pression totale. Cette information est cruciale pour le futur, car elle indique que les mesures de la masse de l'amas qui seront faites en observant les rayons X du gaz chaud avec l'hypothèse d'un équilibre hydrostatique (en ne prenant pas en compte l'effet de la turbulence) n'auront qu'une erreur très faible.

Malgré les incertitudes associées au fait que le télescope n'avait pas encore été pleinement calibré, les vitesses de gaz de cet amas sont les plus précises jamais mesurées, grâce notamment à l'excellente résolution en énergie (ou longueur d'onde) qu'offrait le spectromètre SXS (Soft X-Ray Spectrometer). 

Les astrophysiciens savent maintenant quel type de données ils étaient capables d'obtenir avec l'un des meilleurs instruments de Hitomi. Bien d'autres détails et mystères restent à explorer en rayons X au delà de l'amas de Persée. Les futurs télescopes à rayons X bénéficieront forcément de ces preuves de performances... Le prochain à prendre son envol est prévu en 2028, conçu par les européens, il s'appellera Athena X-ray Observatory.

Source :

The quiescent intracluster medium in the core of the Perseus cluster

Hitomi Collaboration

Nature 535, 117–121 (07 July 2016)

http://dx.doi.org/10.1038/nature18627

Illustrations :

1) L'amas de Persée avec les mesures de vitesse effectuées par Hitomi (Hitomi Collaboration)

2) Vue d'artiste du télescope Hitomi (JAXA)

3) Exemple de spectre en énergie à haute résolution obtenu par le détecteur SXS de Hitomi. Y sont visibles de nombreuses raies du fer ionisé. (Hitomi Collaboration)