L’astronomie des rayons X
Où se trouve XMM-Newton ?
Pourquoi un satellite aussi gros ?
XMM-NEWTON et la concurrence
Et après XMM-Newton ?
L’observatoire XMM-Newton est un télescope spatial de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) lancé le 10 décembre 1999 par le 4ème tir de la fusée Ariane 5, son premier vol commercial. Il est destiné à observer, dans le ciel, les émissions de rayonnement X.
XMM-Newton pèse 3,8 tonnes environ et mesure 10 m de longueur et 16 m d’envergure pour 4 m de diamètre.
C’est le plus gros satellite d’observation de rayons X jamais mis en orbite et le plus gros satellite construit en Europe.
En France, trois laboratoires coordonnés par le CNES, dont le DAPNIA (département d’astrophysique, de physique des particules, de physique nucléaire et de l’instrumentation associée) du CEA/Saclay ont travaillé à la réalisation des instruments du satellite et à leur étalonnage. Une quarantaine de sociétés d’une quinzaine de pays ont travaillé, sous maîtrise d’oeuvre de la firme allemande Dornier, à sa construction.
Le coût total du projet est de 690 millions d’euros. La durée de vie prévue de XMM-Newton est de 10 ans.
XMM-Newton observe les rayons X
L’astronomie des rayons X (photons énergétiques dont la gamme d’énergie est comprise entre 0,1 et 15 keV* et la longueur d’onde entre 0,8 et 120 Angström* ) est une science récente. L’atmosphère terrestre est opaque aux rayons X et leur observation ne peut donc se faire qu’à partir de fusées ou de satellites.
* 1keV = 1000 electronVolt – unité de mesure d’énergie
* 1 Angström (1 Å) = 10-10m (0.1 millionième de millimètre)
Les rayons X sont constitués de photons comme la lumière visible, les infrarouges, les ultraviolets ou les ondes radios mais leur énergie est plus grande. Pour des énergies encore plus grandes, on trouve les rayons gamma.
Ces rayons X proviennent de phénomènes mettant en jeu de grandes quantités d’énergie (où les températures sont de l’ordre de 1 000 000 à 100 000 000 de degrés) comme les effondrements gravitationnels, les accrétions de matière par des objets massifs, des ondes de chocs … Les rayons X proviennent des zones très chaudes de l’univers où la température atteint des millions de degrés : les étoiles, les gaz interstellaires chauds, les trous noirs, les galaxies actives et les amas de galaxies.
XMM-Newton observe un domaine étendu de la gamme spectrale X compris entre 300 eV et 10 keV.
L’astronomie des rayons X
XMM-Newton est un satellite doté d’une exceptionnelle sensibilité en spectroscopie (finesse des analyses), associée à une bonne résolution angulaire (finesse des images) et un large champ d’observation. XMM-Newton est capable de réaliser des images simultanées en différentes longueurs d’onde (X et visible ou ultraviolet).
Les observations d’XMM-Newton devraient permettre de faire progresser des thèmes aussi variés que :
(abondance de ces éléments dans les étoiles, dans le milieu interstellaire chaud, dans les halos de galaxies, dans les amas de galaxies, dans les restes des supernovaes).
(évolution des amas de galaxies, évolution de la fonction de masse des amas, étude de la fusion des amas, évolution de la population des noyaux actifs..)
(émission continue de rayonnement X observé sur l’ensemble de l’espace interstellaire)
XMM-Newton : un peu de technique…
Où se trouve XMM-Newton?
Lancé le 10 décembre 1999, XMM-Newton a atteint son orbite finale le 16 décembre 1999. Il tourne sur une orbite elliptique excentrique très allongée (7 000 km de périgée et 114 000 km d’apogée) en décrivant une révolution toutes les 48 heures. XMM-Newton est suivi par les stations au sol de Kourou et Perth avec lesquelles il est en contact quasi continu.
Il est donc possible, en principe, d’adapter les paramètres de chaque observation en temps réel. Ceci est crucial pour l’observation de sources variables. Le satellite est commandé depuis le centre opérationnel de Darmstadt (ESOC), qui gère aussi les problèmes de sécurité du satellite et des instruments. Le centre des opérations scientifiques est lui situé à Vilspa (Espagne). Après les premières phases de vérification des performances des instruments, et leur étalonnage sur sources célestes, ce centre a maintenant à sa charge la planification des observations et le suivi de leur bon déroulement.
Pourquoi un satellite aussi gros ?
Pour faire une image ou l’analyse spectrale d’un faisceau de rayons X il faut le focaliser. Mais les rayons X sont très pénétrants et traversent les matériaux dans les configurations habituelles des télescopes. Les rayons X ne peuvent être réfléchis que pour des incidences rasantes, et d’autant plus rasantes que leur énergie est grande.
Dans XMM-Newton la focalisation est ainsi assurée par des coques de symétrie de révolution combinant une section parabolique et une section hyperbolique, sur lesquelles se réfléchissent les rayons X. Ces coques ont une distance focale de 7,5 m, choisie pour garantir une bonne efficacité à haute énergie. Une surface collectrice très importante est obtenue en multipliant le nombre de ces coques.
XMM-Newton possède 3 télescopes. Chacun d’entre eux est ainsi constitué de 58 coques concentriques coalignées en fines coques de nickel (0,5 à 1 mm d’épaisseur) recouvert d’or. Chaque télescope, d’une longueur de 60 cm et d’un diamètre de 70 cm, possède son propre plan focal et sa propre chaîne d’acquisition. En raison de la grande surface collectrice ainsi obtenue, les télescopes d’XMM-Newton sont des instruments très sensibles.
XMM-NEWTON et la concurrence
Depuis les années 40, l’émission de rayons X par le soleil est connue. En 1962, les Américains R. Giacconi et B. Rossi ont découvert la première source de rayons X extra solaire dans la constellation du scorpion. Ensuite divers détecteurs montés sur différents engins spatiaux ont identifié une quarantaine de sources de rayons X. En 1970, le premier satellite véritablement dédié à l’identification de sources de rayons X en répertorie 339. Le satellite américain Einstein, équipé de miroirs à incidence rasante (comme XMM-Newton) répertorie plus de 10 000 sources.
Suivent ensuite l’européen Exosat, le germano-anglo-américain Rosat qui détecta 100 000 sources X, l’américano-japonais Asca, l’italo-néerlandais BeppoSax, et le satellite américain Chandra lancé en juillet dernier.
Asca est le premier satellite ayant permis de faire véritablement de la spectroscopie résolue spatialement.
Chandra, lancé en juillet 1999 possède une meilleure résolution spatiale que XMM-Newton mais une plus faible sensibilité. Ce sont deux instruments complémentaires.
Et après XMM-Newton ?
XMM-Newton a une durée de vie de 10 ans et 10 à 15 ans de travail sont nécessaires pour développer un nouveau satellite scientifique.
L’ESA a un projet de successeur à XMM-Newton, XEUS, visant à accroître la surface des miroirs par près d’un facteur 100 par rapport à XMM-Newton. Comme ceci nécessite d’augmenter la distance focale au delà des capacités des coiffes des fusées, XEUS sera constitué de deux satellites positionnés à 50 m l’un de l’autre, l’un portant le miroir, l’autre les instruments focaux. Une partie de XEUS sera assemblée sur la station spatiale internationale.
