Le vaisseau spatial IXPE utilisera la polarimétrie aux rayons X pour mieux mesurer les trous noirs, les supernovas et d’autres phénomènes astronomiques.

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Un tout nouveau télescope spatial révélera bientôt une vision cachée du cosmos, transformant potentiellement notre compréhension des trous noirs, des supernovas et même de la nature de l’univers lui-même.

Une grande attention est consacrée ce mois-ci au télescope spatial James Webb, de la NASA et de l’Agence spatiale européenne, dont le lancement est prévu le 22 décembre. Mais un groupe plus exclusif d’astronomes a regardé avec enthousiasme jeudi le voyage dans l’espace d’un observatoire plus petit, mais aussi transformateur.

La NASA a lancé la mission Imaging X-ray Polarimetry Explorer, ou mission IXPE, sur une fusée SpaceX Falcon 9 depuis le Kennedy Space Center en Floride à 1 heure du matin, heure de l’Est. Le vaisseau spatial n’a coûté que 188 millions de dollars, par rapport au budget gigantesque de James Webb de 9,7 milliards de dollars, et devrait démontrer une nouvelle forme d’astronomie. Il effectuera, pour la première fois, une imagerie polarimétrique à rayons X en orbite, une technique qui pourrait offrir aux astronomes des informations qu’aucun autre télescope ne peut égaler.

“Cela nous donne des informations sur certains des objets les plus bizarres et les plus excitants de l’espace”, a déclaré Thomas Zurbuchen, administrateur associé de la direction de la mission scientifique de la NASA.

IXPE (prononcé par l’équipe de mission comme « ix-pee ») a été placé sur une orbite à 340 milles au-dessus de la Terre après son lancement. Le télescope y passera plusieurs semaines pour déployer ses instruments scientifiques et tester ses équipements, puis entamera sa mission de deux ans.

Les rayons X sont un moyen utile d’observer l’univers. Émis à partir d’objets extrêmement énergétiques, ils permettent aux astronomes de sonder des événements – des jets surchauffés près des trous noirs ou des explosions d’étoiles, par exemple – d’une manière que d’autres longueurs d’onde, comme la lumière visible, ne peuvent pas. Mais les rayons X ne peuvent être étudiés que depuis l’espace car ils sont principalement absorbés par l’atmosphère terrestre.

Une variété de télescopes et d’instruments spatiaux dédiés aux rayons X ont été lancés en orbite, notamment les observatoires Chandra X-ray de la NASA et XMM-Newton de l’ESA, tous deux lancés en 1999. Avec des engins spatiaux comme ceux-ci, les scientifiques ont dévoilé les lieux de naissance d’étoiles à l’intérieur de gaz nébuleuses et cartographié la propagation de la matière noire dans les amas de galaxies, entre autres travaux pionniers.

L’utilisation de l’imagerie polarimétrique aux rayons X distingue IXPE de ses prédécesseurs. Si vous avez déjà porté une paire de lunettes de soleil polarisées, vous savez peut-être qu’elles utilisent de fines fentes pour bloquer la lumière horizontale, mais que les tourner sur le côté bloque la lumière verticale à la place. Le même principe est utilisé en polarimétrie des rayons X. La technique permettra aux astronomes d’observer la direction du mouvement ondulatoire des particules de rayons X à mesure qu’elles arrivent, révélant l’orientation des champs électriques et magnétiques entrants. Armés de ces données, les astronomes peuvent glaner plus d’informations à partir des rayons X émis par les phénomènes astrophysiques.

Au lieu de simplement observer les rayons X avec un seul instrument, le vaisseau spatial est en fait trois télescopes distincts, chacun comprenant 24 miroirs concentriques, au bout d’une flèche de 13 pieds de long, qui s’étendra au cours de la première semaine du télescope dans l’espace.

Au fur et à mesure que les rayons X arriveront, ils seront focalisés par chaque télescope sur trois détecteurs à l’extrémité de la perche. Les détecteurs contiennent chacun une couche d’hélium de 10 millimètres et un gaz appelé éther diméthylique, ou DME. Cela révélera la polarisation des rayons X, qui traceront des traces dans le gaz lorsqu’ils frapperont.

“Ces détecteurs fourniront une image de la polarisation”, a déclaré Elisabetta Cavazzuti, responsable de programme de l’Agence spatiale italienne, qui a conçu les détecteurs.

Il y a eu plusieurs tentatives de polarimétrie aux rayons X dans l’espace auparavant, a déclaré Martin Weisskopf, chercheur principal de la mission au Marshall Space Flight Center de la NASA. En 1971, le Dr Weisskopf a participé à une mission expérimentale réussie qui a effectué de brèves observations de polarisation des rayons X de la nébuleuse du Crabe dans notre galaxie à l’aide d’une fusée-sonde, qui monte et descend tout droit mais ne va pas en orbite. Une tentative ultérieure de lancer un polarimètre plus avancé sur le vaisseau spatial soviétique Spectrum-X dans les années 1990 a été interrompue par l’effondrement de l’Union soviétique, selon le Dr Weisskopf.

Sa patience et celle d’autres chercheurs ont porté leurs fruits en 2017, lorsque la NASA a sélectionné IXPE dans le cadre de son programme Small Explorers.

Au cours des deux années suivant son lancement, la sonde IXPE observera plus de 100 cibles cosmiques, dont des trous noirs, des supernovas et des étoiles exotiques.

L’un des objectifs du télescope est d’observer la rotation de trous noirs relativement petits, environ 10 fois la masse de notre soleil. La polarimétrie des rayons X sera en mesure de sonder les effets relativistes qui se produisent très près de ces trous noirs, où l’angle de polarisation des photons de rayons X qui se sont échappés devrait être modifié au fur et à mesure qu’ils traversent l’espace-temps fortement déformé causé par le la rotation du trou noir.

“Pour la première fois, nous pouvons essayer de mesurer ces distorsions”, a déclaré Adam Ingram, professeur d’astrophysique à l’Université de Newcastle en Angleterre.

IXPE sondera également les étoiles à neutrons, les noyaux restants après l’effondrement des étoiles géantes. Les scientifiques s’intéressent particulièrement aux pulsars, qui sont des étoiles à neutrons en rotation rapide, et aux magnétars, qui sont des étoiles fortement magnétisées.

En se concentrant sur les magnétars, les chercheurs espèrent voir à quel point les lois de la physique sont à toute épreuve. IXPE sera en mesure d’étudier un effet à proximité de ces étoiles appelé électrodynamique quantique, ou QED, où les champs magnétiques extrêmement forts devraient provoquer un niveau élevé de polarisation dans les particules de rayons X émises.

“La QED est la base de notre compréhension de la physique”, a déclaré Ilaria Caiazzo, chercheuse au California Institute of Technology. « Si on découvrait que ce n’est pas bien, ça révolutionnerait vraiment tout. Je m’attends à ce que nous confirmions cet effet.

Ailleurs, IXPE pourrait nous en dire plus sur les instants qui ont suivi l’explosion d’une étoile, une supernova. Les données du vaisseau spatial révéleront comment le matériau éjecté d’une supernova interagit avec le milieu interstellaire environnant lorsqu’il s’y enfonce à des vitesses extrêmes, créant un front de choc. Les électrons peuvent ensuite passer d’un côté à l’autre du front de choc, un processus connu sous le nom d’accélération de choc diffusif.

“C’est un processus très important en astronomie, mais nous ne comprenons pas pleinement les détails”, a déclaré le Dr Ingram. “On pense que c’est la raison pour laquelle les restes de supernova sont brillants.”

La mission principale d’IXPE devrait durer deux ans. Mais si la NASA prolonge la mission, le vaisseau spatial pourrait durer près de deux décennies, a déclaré le Dr Weisskopf. Avec plus de temps, les astronomes pourraient étudier d’autres cibles, comme Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de notre galaxie. En recherchant les réflexions des rayons X sur les nuages ​​de gaz près du trou noir, ils pourraient rechercher des preuves d’une activité accrue du Sagittaire A* au cours des derniers siècles.

“Les nuages ​​ne seraient pas aussi brillants qu’ils le paraissent à moins que le trou noir ne soit plus brillant il y a plusieurs centaines d’années”, a déclaré le Dr Weisskopf. « Vous pouvez calculer combien de temps il faut aux rayons X pour atteindre le nuage et rebondir vers nous. C’est une expérience très difficile.

Comparé aux super-télescopes comme le James Webb, l’IXPE peut être relativement modeste. Mais cela met en évidence l’étendue de l’astronomie que les scientifiques entreprennent actuellement et les nouvelles façons dont les machines avancées sont utilisées pour explorer notre univers.

La polarimétrie aux rayons X, une fois qu’une fenêtre fermée sur le cosmos, est ouverte – et avec elle, une multitude de secrets cachés seront déverrouillés.

Ne manquez jamais une éclipse, une pluie de météores, un lancement de fusée ou tout autre événement astronomique et spatial hors de ce monde.

Ref: https://www.nytimes.com