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Bref rappel historique de l'astronomie X

Depuis les années 40, l'émission de rayons X par le soleil est connue. En 1962, les scientifiques américains R. Giacconi et B. Rossi découvrent la première source de rayons X extra solaire dans la constellation du scorpion, Sco X-1. 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 1999. Asca est le premier satellite ayant permis de faire véritablement de la spectroscopie résolue spatialement. Le satellite de la NASA Chandra possède une meilleure résolution spatiale que XMM-Newton mais une plus faible sensibilité. Ce sont deux instruments complémentaires.

En 2014, l’ESA a sélectionné le successeur d’XMM-Newton. Ce futur grand observatoire en rayons X, Athena, aura une surface collectrice 10 fois supérieure, mais ne sera pas lancé avant 2028.

Qu’observe-t-on en rayons X?

L'astronomie des rayons X (photons énergétiques dont la gamme d'énergie est comprise entre 0,1 et 15 keV) 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.

Les 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, les ondes de chocs … Ils mettent également en évidence le gaz ténu chaud (>106K) présent dans des objets aussi divers que le soleil, les étoiles, le milieu interstellaire, les galaxies ou les amas de galaxies.

Les objectifs scientifiques de la mission XMM-Newton

Les observations d'XMM-Newton permettent de faire progresser des thèmes aussi variés que :

  • Les étoiles jeunes au coeur des nuages denses.

 L'observation dans le domaine des rayons X des nuages denses est un moyen particulièrement puissant pour l'étude des régions de formation d'étoiles car ce rayonemment est une signature de l'activité magnétique des étoiles qui s'y forment. Les observations de XMM-Newton, couplées à celles éffectuées dans les domaines infrarouge et millimétrique, permettent de sonder en détail les régions denses et d'étudier les effets d'irradation par le rayonnement X sur les nuages moléculaires ou les enveloppes et disques circumstellaires.

  • La physique des trous noirs et des étoiles à neutrons.

 Les observations de XMM-Newton permettent d'étudier les phénomènes énergétiques présent autour des objets compacts, étoiles à neutrons et trous noirs. Dans des systèmes binaires, la matière en s'effondrant sur l'objet dense est portée à des températures très élevées et émet un rayonnement X intense. L'étude du profil des raies en émission permet de fournir des informations sur la nature de l'objet dense et du disque de matière qui l'entoure ainsi que sur les champs gravitationnel et magnétique.

  • La production et la circulation des éléments lourds dans l'Univers et les mécanismes de chauffage associés.

 Les observations de XMM-Newton permettent de comprendre comment se forment les éléments qui nous constituent, qui constituent les planètes et de déterminer leur abondance dans les étoiles, dans le milieu interstellaire chaud, dans les halos de galaxies, dans les amas de galaxies. Dans les restes des supernovas (image ci-contre), elles permettent de déterminer le type d'explosion responsable du vestige de supernova et d'étudier les mécanismes d'accélération des rayons cosmiques.

  • La quantité et la distribution de matière noire dans l'Univers

 Les observations de XMM-Newton permettent d'estimer le potentiel gravitationnel dans les galaxies et amas de galaxies et la quantité de gaz dans les halos des galaxies et le milieu intra-amas. On peut alors en déduire la quantité et la distribution de matière noire.
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  • La formation et l'évolution des grandes structures

Avec XMM-Newton, les scientifiques peuvent étudier avec une grande précision l'état dynamique des amas, les phénomènes de fusion d'amas, les propriétés statistiques de la population d'amas et son évolution. Ceci permet de mieux comprendre la formation des grandes structures de l'Univers et de contraindre les paramètres cosmologiques et par la même
de tester les modèles d'évolution de l'Univers.

  • La nature du fond diffus X

 Le fond diffus X est une émission continue de rayonnement X observé sur tout le ciel. En dessous de 2 keV, il provient principalement du gaz chaud situé dans notre Galaxie tandis qu'aux énergies supérieures, il résulte du rayonnement émis par une multitude de sources ponctuelles non résolues dont une majorité de noyaux actifs de galaxies. La grande sensibilité d'XMM-Newton permet de sonder avec une grande précision des régions de l'Univers et de mieux cerner la nature de ce fond diffus.

XMM-Newton et les autres observatoires

Les observations de XMM-Newton sont dans de nombreux cas complémentaires de celles obtenues dans d'autres domaines d'énergie ou de longueur d'onde. Cette stratégie d'observation dans différentes gammes d'énergie est souvent nécessaire voire indispensable pour décrire correctement les propriétés physiques d'un objet céleste. En guise d'illustration, citons trois exemples; l'un relatif aux objets compacts galactiques, l'autre au vestige de supernova, le troisième ayant trait à la cartographie à grande échelle des amas de galaxies.

Dans le premier cas, des observations récentes effectuées par le satellite Integral ont permis de découvrir une classe d'objets très particuliers, les sources enfouies. Ces objets sont des systèmes binaires extrêmement enfouies dans un cocon dense de poussière. Le rayonnement X de ces objets est fortement atténué (absorbé)et il est nécessaire de les observer à plus haute énergie. Les données obtenues par XMM-Newton et Integral sont ainsi tout à fait complémentaires pour cerner la nature de l'objet.

Le deuxième exemple montre la très bonne convergence qui peut exister entre les observations radio, X et celles des photons gamma de très haute énergie (supérieure à 100 GeV) détectés depuis le sol par les télescopes Tcherenkov. La comparaison des cartes obtenues de certains vestiges de supernova dans ces trois bandes d'énergie (couvrant plus de 18 ordres de grandeur!) permet de cerner des régions où des particules, électrons et/ou protons, sont accélérées à de très grandes vitesses. Ces particules cèdent une fraction de leur énergie lors de leur périple dans le milieu constituant le reste de supernova et produisent un rayonnement radio, X et dans certains cas dans la gamme des photons gamma. Ces cartographies détaillées ont permis de confirmer que les restes de supernova constituaient la source d'une partie du rayonnement cosmique.

Le dernier exemple traite de l'étude des amas de galaxies. Les amas de galaxies constituent une pièce importante du puzzle de la structuration de l'Univers. Mais leur recherche dans le domaine optique pose néanmoins de sérieux problèmes observationnels du fait de l'accumulation des galaxies sur la ligne de visée. Une solution consiste à étudier grâce à XMM-Newton le gaz chaud diffus situé entre les galaxies constituant un amas puis à en identifier les contreparties optiques. Cette stratégie a montré toute son efficacité dans le cadre d'un programme de sondage profond du ciel par XMM-Newton, le XMM-LSS. Ce programme met à profit le grand champ de vue et la grande sensibilité de la caméra MEGACAM au CFHT comme les facilités offertes par les grands télescopes du VLT de l'ESO au mont Paranal.

  • La formation et l'évolution des grandes structures

Avec XMM-Newton, les scientifiques peuvent étudier avec une grande précision l'état dynamique des amas, les phénomènes de fusion d'amas, les propriétés statistiques de la population d'amas et son évolution. Ceci permet de mieux comprendre la formation des grandes structures de l'Univers et de contraindre les paramètres cosmologiques et par la même
de tester les modèles d'évolution de l'Univers.

  • La nature du fond diffus X

 Le fond diffus X est une émission continue de rayonnement X observé sur tout le ciel. En dessous de 2 keV, il provient principalement du gaz chaud situé dans notre Galaxie tandis qu'aux énergies supérieures, il résulte du rayonnement émis par une multitude de sources ponctuelles non résolues dont une majorité de noyaux actifs de galaxies. La grande sensibilité d'XMM-Newton permet de sonder avec une grande précision des régions de l'Univers et de mieux cerner la nature de ce fond diffus.

XMM-Newton et les autres observatoires

Les observations de XMM-Newton sont dans de nombreux cas complémentaires de celles obtenues dans d'autres domaines d'énergie ou de longueur d'onde. Cette stratégie d'observation dans différentes gammes d'énergie est souvent nécessaire voire indispensable pour décrire correctement les propriétés physiques d'un objet céleste. En guise d'illustration, citons trois exemples; l'un relatif aux objets compacts galactiques, l'autre au vestige de supernova, le troisième ayant trait à la cartographie à grande échelle des amas de galaxies.

Dans le premier cas, des observations récentes effectuées par le satellite Integral ont permis de découvrir une classe d'objets très particuliers, les sources enfouies. Ces objets sont des systèmes binaires extrêmement enfouies dans un cocon dense de poussière. Le rayonnement X de ces objets est fortement atténué (absorbé)et il est nécessaire de les observer à plus haute énergie. Les données obtenues par XMM-Newton et Integral sont ainsi tout à fait complémentaires pour cerner la nature de l'objet.

Le deuxième exemple montre la très bonne convergence qui peut exister entre les observations radio, X et celles des photons gamma de très haute énergie (supérieure à 100 GeV) détectés depuis le sol par les télescopes Tcherenkov. La comparaison des cartes obtenues de certains vestiges de supernova dans ces trois bandes d'énergie (couvrant plus de 18 ordres de grandeur!) permet de cerner des régions où des particules, électrons et/ou protons, sont accélérées à de très grandes vitesses. Ces particules cèdent une fraction de leur énergie lors de leur périple dans le milieu constituant le reste de supernova et produisent un rayonnement radio, X et dans certains cas dans la gamme des photons gamma. Ces cartographies détaillées ont permis de confirmer que les restes de supernova constituaient la source d'une partie du rayonnement cosmique.

Le dernier exemple traite de l'étude des amas de galaxies. Les amas de galaxies constituent une pièce importante du puzzle de la structuration de l'Univers. Mais leur recherche dans le domaine optique pose néanmoins de sérieux problèmes observationnels du fait de l'accumulation des galaxies sur la ligne de visée. Une solution consiste à étudier grâce à XMM-Newton le gaz chaud diffus situé entre les galaxies constituant un amas puis à en identifier les contreparties optiques. Cette stratégie a montré toute son efficacité dans le cadre d'un programme de sondage profond du ciel par XMM-Newton, le XMM-LSS. Ce programme met à profit le grand champ de vue et la grande sensibilité de la caméra MEGACAM au CFHT comme les facilités offertes par les grands télescopes du VLT de l'ESO au mont Paranal.