Un télescope spatial pour cartographier la première carte de l'univers en rayons X à haute énergie

«Avez-vous vu votre corps en radiographie? Cela a l'air complètement différent », déclare Rashid Sunyaev. "Nous ferons de même avec l'Univers." Sunyaev, un cosmologiste d'origine soviétique de l'Institut Max Planck d'astrophysique de Garching, en Allemagne, pourrait être sur le point de réaliser son souhait de longue date.

Le 21 juin, une mission conjointe germano-russe appelée Spectrum-Roentgen-Gamma (SRG) se lancera dans l'espace pour tracer une carte sans précédent. Ce télescope spatial ne sera pas le premier télescope spatial sensible aux rayons X «durs» à haute énergie, offrant ainsi aux astrophysiciens une fenêtre sur des objets de l’Univers qui seraient autrement très pâles. Mais ce sera le premier à pouvoir créer une carte complète du ciel dans cette partie du spectre – une carte qui offrira aux chercheurs un nouveau moyen de suivre l’expansion et l’accélération de l’Univers au cours des siècles. «Dans un an et demi, nous couvrirons tout le ciel», déclare Peter Predehl, astronome en rayons X à l'Institut Max Planck de physique extraterrestre, également à Garching, et chercheur principal de la mission.

L’objectif scientifique principal de SRG est cosmologique: créer une carte 3D du cosmos qui révélera l’accélération de l’accélération du cosmos de l’Univers sous la mystérieuse force répulsive appelée énergie noire. Les cosmologistes peuvent sonder cette force à travers des amas galactiques, dont la distribution peut coder la structure et l'histoire de l'Univers. SRG cartographiera un réseau cosmique d’environ 100 000 amas galactiques en détectant la lueur des rayons X de leur plasma intergalactique et des filaments de plasma qui les unissent. La mission détectera également jusqu'à trois millions de trous noirs supermassifs – dont beaucoup seront nouveaux pour la science – et de rayons X de 700 000 étoiles de la Voie Lactée.

«Ce sera une excellente étude», a déclaré l’astronome aux rayons X Giuseppina Fabbiano du Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian de Cambridge, dans le Massachusetts. Ses données joueront un rôle unique sur le terrain pendant longtemps, ajoute-t-elle.

Résurrection russe

Pour la Russie, SRG représente l’une des missions les plus importantes des sciences spatiales depuis des décennies et vise à renforcer la communauté astrophysique du pays, qui souffre depuis des décennies de compressions et de la fuite des cerveaux. La mission dispose de deux télescopes à rayons X indépendants: un télescope de construction allemande appelé eROSITA (Extended Roentgen Survey avec un réseau de télescopes imageurs) et un de construction russe appelé ART-XC (télescope astronomique de Roentgen – Concentrateur de rayons X). Mikhaïl Pavlinski, astrophysicien des hautes énergies à l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie à Moscou et chercheur principal sur ART-XC, est le premier instrument de ce type dans l'histoire de la recherche spatiale russe et soviétique. «Nous avons maintenant une nouvelle chance de revenir à une science de classe mondiale», a-t-il déclaré.

L’engin spatial décollera d’une fusée Proton-M de fabrication russe à partir du cosmodrome de Baïkonour au Kazakhstan. Des relevés radiologiques du ciel ont déjà été effectués par d’autres missions, dont une en Allemagne dans les années 90, appelée ROSAT. Mais cette mission n’était sensible qu’aux rayons X «mous», d’une énergie d’environ 2 kiloélectronvolts (keV). Les missions existantes, telles que l’observatoire Chandra à rayons X de la NASA et NuSTAR, peuvent détecter les rayonnements de haute énergie et résoudre les plus infimes détails des structures cosmiques, mais elles ne voient que de petites parties du ciel.

Les deux instruments de SRG couvrent chacun des bandes de rayons X aux énergies beaucoup plus élevées: 0,2 à 10 keV pour eROSITA et 5 à 30 keV pour ART-XC. (Malgré son nom – qui a été conservé pour des raisons historiques – SRG ne détectera pas les radiations gamma.) Chaque instrument est un faisceau de sept télescopes à rayons X qui encadrent simultanément la même bande de ciel; leur puissance combinée signifie qu'ils vont collecter plus de photons qu'un seul télescope. Les photons de rayons X du ciel étant rares, les capteurs à semi-conducteurs du télescope – versions à haute énergie des capteurs des appareils photo numériques ordinaires – pourront également estimer la quantité d’énergie contenue dans chaque photon.

Au cours de sa mission prévue de quatre ans, SRG cartographiera tout le ciel huit fois, et les chercheurs compareront les cartes et rechercheront les modifications. Par exemple, certains des trous noirs supermassifs situés au centre de la galaxie deviennent extrêmement brillants quand ils dévorent la matière à un rythme élevé, puis retournent à leur repos relatif. Bien que la plupart des rayons X mous provenant de ces trous noirs soient susceptibles d'être absorbés par la poussière environnante, les rayons X plus durs devraient passer à travers, dit Pavlinsky. ART-XC peut voir les objets apparaître, puis disparaître d'année en année, fournissant ainsi des informations sur la consommation de matière des trous noirs. «Nous souhaitons observer plusieurs milliers de ces événements au cours de ces quatre années», a déclaré Sunyaev.

SRG étudiera également la manière dont l’Univers distribue la matière ordinaire et la matière noire – le principal moteur de la formation des galaxies – et recherchera des indices directs sur la nature des particules de matière noire. Pour ce faire, il tentera de confirmer les signaux précédents indiquant des pics d'émissions de rayons X provenant de certains centres galactiques, ce que certains chercheurs ont suggéré comme provenant de la désintégration d'un parent plus lourd et inconnu des particules subatomiques connues appelées neutrinos. Ces neutrinos pourraient être une composante majeure de la matière noire, suggèrent-ils – bien que cette interprétation soit controversée. "Jusqu'à présent, l'explication de la matière noire est toujours d'actualité" en tant que cause potentielle du signal de rayons X, explique Esra Bulbul, astrophysicienne à l'Institut Max Planck de physique extraterrestre et scientifique principale de la mission.

Longtemps à venir

Les astrophysiciens russes et allemands ont depuis longtemps une mission spatiale dans le domaine des rayons X. Les racines de SRG remontent à l’Union soviétique. En 1987, des astrophysiciens renommés, dont Sunyaev – avec son mentor, Yakov Zeldovich et Andrei Sacharov – ont proposé une mission majeure utilisant des rayons X durs, mais ces plans ont été annulés après la chute de l'Union soviétique en 1991.

Les agences spatiales européenne et russe ont relancé l’idée en 2004, mais la proposition d’envoyer un télescope à rayons X à la Station spatiale internationale a été abandonnée lorsque la NASA a réduit son programme de navette spatiale pour s’achever en 2011. L’agence spatiale allemande et Roscosmos a ensuite approuvé une mission conjointe et une conception plus ambitieuse en 2009.

«Il y a eu beaucoup de hauts et de bas jusqu'à ce que tout soit vraiment sorti du bois», explique Predehl.

Fait inhabituel, la mission dispose d’un arrangement spécial de données qui vise à soutenir la petite communauté russe d’astrophysique. Au lieu de mettre les données dans un référentiel, comme cela est typique pour de telles missions, des chercheurs allemands vont stocker et analyser des données sur une moitié du ciel (la partie ouest du centre galactique) et des scientifiques russes faire de même avec l'autre moitié, en leur donnant le temps nécessaire pour travailler sur les données, dit Sunyaev. La mission ouvrira ultérieurement les données à d'autres chercheurs.