L'univers des rayons X

L'univers invisible

Dernière mise à jour 23 mars 2013

L'Univers invisible, que l'on peut appeler "Univers X", fait référence à l'univers que l'on ne voit pas, contrairement à celui que l'on voit habituellement dans la gamme des fréquences visibles, correspondante aux couleurs de l'arc-en-ciel. La lumière visible ou optique, n'est qu'une petite gamme des vibrations électromagnétiques que l'on trouve dans le spectre électromagnétique. Mais la lumière, s'étale sur un plus grand champ électromagnétique. Maxwell a déterminé que la lumière est une onde électromagnétique et qu'il n'y a aucune raison de limiter la longueur d'onde de celle-ci à l'intervalle correspondant au spectre de la lumière visible, tout le spectre est lumière (image ci-contre). De part et d'autre de la lumière visible il y a la lumière invisible de l'infrarouge et de l'ultraviolet, la lumière des rayons X, invisible aussi, est plus énergétiques et se situent au delà de l'ultraviolet. Les rayons X sont des ondes électromagnétiques à haute fréquence dont la longueur d'onde est comprise, à peu près, entre 5 picomètres et 10 nanomètres.
Les rayons X sont produits dans le cosmos quand la matière est chauffée à des millions de degrés. Ces températures se produisent là où il y a, des champs magnétiques extrêmement puissants, ou une extrême gravité. Les rayons X, contrairement aux rayons optiques, ont la particularité de ne pas être absorbés, ni déviés par les nuages de poussières interstellaires. Ces derniers sont en effet les principaux obstacles limitant l’observation de l’univers.

Le "X-ray univers", correspond donc à l'univers que l'on ne peut observer, qu'avec des télescopes conçus pour détecter les rayons-X et pour cela il faut s'affranchir de l'atmosphère filtrante de notre planète.
Ces télescopes ont donc été placés dans l'espace. Le télescope à rayons X peut détecter, les gaz chauds de l'explosion d'une étoile ou les rayons X de la matière tourbillonnante au bord d'un trou noir.
Le télescope Chandra X-ray Observatory, a été lancé par la navette spatiale Columbia le 23 Juillet 1999 et permet de mieux définir les régions chaudes et turbulentes de l'espace. Il fut baptisé « Chandra » en l'honneur de Subrahmanyan Chandrasekhar.
Les radioastronomes peuvent depuis, capturer des photos du ciel dans la gamme des rayons X et voient des phénomènes surprenants, des objets tombants dans des trous noirs, des étoiles qui explosent, des galaxies qui entrent en collision, de gigantesques amas de galaxies qui se traversent.
Le cosmos nous révèle maintenant, des secrets cachés derrière chaque gamme du spectre grâce aux deux satellites d’observation X : le satellite européen XMM-Newton et le satellite américain Chandra.

Image : Le spectre électromagnétique regroupe toutes les fenêtres de la lumière. Les rayons X sont entre les ondes ultraviolettes et les ondes gamma. Leurs longueurs d'onde sont comprises approximativement entre 5 picomètres et 10 nanomètres. Avec Hubble, Spitzer, Wise, XMM-Newton, Chandra et les autres satellites, les astronomes peuvent voir l’univers en couplant, les informations visuelles, infra rouges, radios et rayonnements X.

Rayons X et gravité

Quelles sont les structures suffisamment grosses et chaudes pour émettre des rayons X ?
Les rayons X sont produits quand la matière est chauffée à des millions de degrés. La détection des rayons X va dévoiler des régions où les champs magnétiques sont extrêmement puissants, ou des endroits où la gravité est extrême. C'est le cas du Quintette de Stéphan, un amas de galaxies, situé dans la constellation de Pégase. Les galaxies s'attirent du fait de leur forte gravité et elles finissent par fusionner. Nous le constatons sur cette image, par les formes distordues des filaments qui s'étendent très loin du centre de la galaxie. Les taches bleues dans le bras spiral situé à droite de la barre, sont des groupes de plusieurs milliers d'étoiles, vues dans la gamme des rayons X. Au centre de l'image, la galaxie semble avoir deux cœurs, mais ce sont en réalité deux galaxies, NGC 7318A et NGC 7318B.

Un brillant amas de jeunes étoiles bleues, de moins de 10 millions d'années, en train de naitre, encercle ces galaxies. Cet amas est aussi vu dans la gamme des rayons X. Cet amas a été découvert en 1877 par l'astronome français Édouard Stephan, depuis l'observatoire de Marseille.

Image : L'amas de galaxies ESO 3598 ou l'amas de galaxies du Quintette de Stephan se situe près de la constellation de Pégase, le Cheval ailé. Cette magnifique trainée bleue au cœur de l'amas du Quintette est vue par le télescope à rayons X Chandra. Ce sillon bleu serait dû à l'extrême réchauffement des gaz environnants, par des ondes de choc provoquées par le passage de la galaxie NGC 7318b au milieu de ses voisines (NGC 7317, NGC 7318a, et NGC 7319). Crédit : NASA / CXC / CFa / CFHT / Coelum / C&EPhotos

Rayons X et champ magnétique

Souvenons-nous que les étoiles à neutrons, au contraire des planètes et des étoiles ordinaires, possèdent des champs magnétiques super puissants. Les conditions qui règnent à l'intérieur de l'étoile, sont extrêmes, et le champ magnétique est si intense qu'il déforme jusqu'aux atomes constituant la matière. En l'absence de champs magnétiques, les atomes ont une forme sphérique, alors que soumis à des champs magnétiques super puissants, ils prennent une forme effilée et s'alignent d'eux-mêmes suivant des lignes de champ magnétique, comme autant de petites aiguilles placées bout à bout. Les atomes exercent des forces chimiques les uns sur les autres, s'associant en de fines et longues chaines moléculaires. La matière prend alors une structure effilée, en mèche de cheveux. C’est la première phase critique de la compression, elle correspond à la matière de la surface de l'étoile.

Image : L'évènement cosmique de la nébuleuse du Crabe. Jets de matière et d'antimatière qui s'éloignent de l'étoile à neutron au centre de la nébuleuse du Crabe. Cette image dans les rayons X, a été prise en 2002 par le satellite Chandra. L'anneau central a un diamètre d'environ une année-lumière.
Crédit : NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.

Rayons X et vent d'énergie

PSR B1509-58 est un pulsar plutôt jeune car la lumière de la supernova qui lui a donné naissance aurait atteint la Terre il y a 1 700 ans. Ce pulsar a d'abord été détecté comme source de rayons X par le satellite Uhuru, puis comme source pulsante par le satellite Einstein en 1982 puis observé dans le domaine radio. Son émission radio est relativement faible, sa découverte dans le domaine radio n'aurait pas été possible sans sa découverte préalable, dans le domaine des rayons X. Cette étoile à neutrons de 20 km de diamètre seulement, tourne sur elle-même 7 fois par seconde, cette dynamo cosmique alimente un vent de particules chargées. Sur cette image on aperçoit le vent énergétique qui engendre le rayonnement X de la nébuleuse, en haut de l'image de l’observatoire spatial Chandra.

Les rayons X de basse énergie sont colorés en rouge, les énergies intermédiaires sont en vert et les hautes énergies en bleu. Le pulsar lui-même se trouve au cœur de la région centrale brillante, au bas de la structure complexe qui évoque irrésistiblement une main tendue ou un gant. PSR B1509-58 se trouve à quelque 17 000 années-lumière de la voie lactée, dans la constellation australe du Compas. À cette distance, l’image de Chandra couvre un champ de 100 années-lumière de large.

Image : Crédit: P. Slane (Harvard-Smithsonian CfA) et al., CXC, NASA

Rayons X et trous noirs

Cette étonnante image composite de Arp 147, montre deux galaxies en interaction, situées à environ 430 millions années lumière de la Terre. Elle est composée d'un ensemble d'images roses, prises dans les rayons X, par Chandra X-ray, et de données optiques (en rouge, vert, bleu), du télescope spatial Hubble. Arp 147 (à droite) contient les restes d'une galaxie spirale, trouée par la collision avec la galaxie elliptique située sur la gauche. Cette rencontre a laissé une vague d'étoiles qui se présente aujourd'hui, comme un anneau bleu, hébergeant de jeunes étoiles massives. Dans quelques millions d'années, ces étoiles exploseront comme des supernovæ, laissant derrière elles des étoiles à neutrons et des trous noirs.
Les neuf sources de rayons X (en rose), dispersées autour de l'anneau bleu, dans Arp 147, sont si lumineuses qu'elles pourraient engendrer des trous noirs, de dix à vingt fois la masse du soleil.

Une source de rayons X est également visible dans le noyau de la galaxie rose, du centre de l'image. Cette source pourrait aussi, être alimentée par un trou noir super massif. D'autres objets, sans rapport avec Arp 147 sont également visibles sur l'image, en particulier, en arrière plan, au-dessus et à gauche de la galaxie rose, on peut voir, grâce aux rayons X, la source rouge d'un quasar.

Image : Cette remarquable image de l'évènement cosmique de Arp 147, nous montre deux galaxies qui se sont traversées. Elles restent cependant, en interaction via de nombreux trous noirs en formation.
Crédit: X-ray: NASA/CXC/MIT/S Rappaport et al., Optical: NASA/STScI

La Tarentule passée aux rayons X

Environ 2400 étoiles massives sont cachées au centre de la nébuleuse de la Tarentule (30 Doradus). Ces étoiles produisent un rayonnement si intense que les vents puissants, soufflent au large, la matière. Le gaz de la nébuleuse est chauffé à plusieurs millions de degrés par l'onde de choc des rayonnements stellaires. Ces ondes de choc sont représentées en bleu sur l'image à rayons X, prise par le télescope Chandra X-ray Observatory. Ces ondes de choc sont produites par les vents et les rayonnements ultraviolets émis par les jeunes étoiles de l’amas. Ces explosions sculptent dans le nuage de poussière, des bulles bleues gigantesques de gaz surchauffé, parmi la matière froide de la nébuleuse. Cette matière froide de couleur orange, est ici vue en émission infrarouge grâce au télescope spatial Spitzer.

RMC 136, est le superamas d'étoiles, situé près du centre de la nébuleuse de la Tarentule. Il est connue sous le nom de 30 Doradus. La nébuleuse de la Tarentule se situe en dehors de notre Galaxie, dans le Grand Nuage de Magellan, à 170 000 années-lumière du système solaire.
Au cœur de cette région de formation d’étoiles, 30 Doradus, se trouve un gigantesque amas contenant les étoiles les plus grandes, les plus massives et les plus chaudes connues à ce jour.