#rayons x

Benedetta Bonichi, Donna che si pettina (Woman combing herself), 1999

Pendant une brève période en 1971, une entreprise du New Jersey vendait des lunettes soi-disant "rayons X" par courier via des encarts publicitaires dans les comics Marvel.

Les personnes ayant regarder leurs télévision en portant ces lunettes ont raconté avoir vu des images "infernales" ou "représentant l'enfer". Notez que ce phénomène se produisait aussi bien là télé éteinte qu'allumé.

Pour la première fois, une source de rayons X provenant d'une zone de formation stellaire d'une jeune galaxie a été observée grâce à l'effet d'amplification d'une lentille gravitationnelle. Une étude parue dans Nature Astronomy.

L'effet de lentille gravitationnelle a été couramment utilisé depuis une bonne dizaine d'années pour étudier les toutes premières galaxies de l'Univers, dans ces quelques premiers milliards d'années. Mais jusqu'à aujourd'hui, ce qui était observé dans ces phénomènes de lentille, sous la forme de galaxies très déformées, voire dédoublées, et amplifiées, c'étaient des rayonnements UV, visible, infra-rouge et radio. Les études par lentille gravitationnelle de jeunes galaxies en train de former quantité d'étoiles n'avaient encore jamais été menées avec des rayons X. Et bien c'est désormais chose faite grâce à cette étude menée par une collaboration internationale d'astrophysiciens à majorité américains. 

Matthew Bayliss (MIT) et ses collaborateurs ont utilisé le télescope spatial Chandra, spécialisé dans la détection des rayons X et l'ont pointé vers un objet astrophysique incongru : un arc, qui correspond à une image dédoublée et très déformée d'une lointaine galaxie. Cette image fantôme est produite par le puits de potentiel gravitationnel d'un amas de galaxies bien plus proche et presque sur la même ligne de visée : l'amas du Phénix (SPT-CLJ2344-4243), situé à 5,7 milliards d'années-lumière.

La petite galaxie se situe à un moment de l'histoire cosmique situé 4,4 milliards d'années après le Big Bang. Elle est en train de produire des étoiles très massives, la première génération d'étoiles, qui brillent donc en partie dans le domaine des rayons X. 

La difficulté vient du fait que l'amas de galaxie qui produit la déflection de la lumière en distordant l'espace-temps autour de lui émet lui aussi beaucoup de rayons X. Déceler les rayons X venant de l'arc galactique très fin dans un fond très brillant d'avant plan n'était pas chose aisée. La méthode a consisté à soustraire la composante de rayons X venant de l'amas-lentille. Pour cela, ils ont déduit quelle devrait être l'émission de rayons X de l'amas à partir des émissions dans le visible et dans l'infra-rouge. Ils ont donc collecté des données dans ces longueurs d'ondes avec la télescope spatial Hubble et le télescope chilien Magellan. Une fois l'émission de rayons X modélisée, il l'ont soustraite des images de Chandra (correspondant à 150 heures d'observation continue) où l'on voit en même temps l'amas du Phénix et l'arc de la galaxie lointaine, et c'est alors que sont apparues deux sources dans l'arc, avec en tout seulement 31 photons d'énergie comprise entre 0,5 et 7 keV, qui correspondaient à la même image dédoublée d'une zone de formation intense d'étoiles massives dans la petite galaxie.

Le niveau d'amplification produite par la lentille gravitationnelle de l'amas du Phénix atteint un facteur 60. Chandra n'aurait donc rien vu sans cette lentille, ou bien il lui aurait fallu un temps d'exposition de plus d'un an... 

Cette détection en rayons X dans cet arc géant issu d'une lentille forte est une avancée importante pour l'étude de la formation des premières étoiles massives et des premières binaires X (couples trou noir-étoile massive). L'étude de Matthew Bayliss et ses collaborateurs démontre que les télescopes X peuvent être utilisés avec des lentilles gravitationnelles comme pour les autres longueurs d'ondes, et peuvent donc repousser leurs limites pour améliorer significativement notre connaissance et notre compréhension des phénomènes astrophysiques de haute énergie qui se déroulaient dans le premier tiers de l'histoire de l'Univers.

Etant donné que l'arc géant situé à proximité de l'amas du Phénix a été découvert par hasard (il est très faiblement lumineux), cela signifie que des arcs beaucoup plus lumineux devraient être des cibles idéales pour obtenir des données précieuses en rayons X avec une bien meilleure statistique. Quant au futur télescope X Lynx de la NASA, prévu pour succéder à Chandra avec une sensibilité 100 fois plus grande, on imagine maintenant jusqu'où il pourra sonder les tréfonds de l'Univers...

Source

An X-ray detection of star formation in a highly magnified giant arc

Matthew Bayliss et al.

Nature Astronomy, (Oct. 14, 2019)

https://doi.org/10.1038/s41550-019-0888-7

Illustrations

1) L'amas du Phénix, imagé par Hubble, l'arc géant se trouve à gauche de l'image (HST/McDonald)

2) Détail de la localisation de la source X dédoublée au sein de l'arc (Bayliss et al.)

La galaxie du Feu d'Artifice (alias NGC 6946) a encore frappé ! Cette galaxie célèbre pour sa richesse en supernovas était observée avec le télescope spatial NuSTAR associé à XMM-Newton pour étudier ses sources X ultra-lumineuses, lorsqu'une nouvelle source X inconnue est apparue non loin du centre de la galaxie, puis a disparu aussi vite qu'elle était apparue. Elle pourrait avoir plusieurs origines... Une étude parue dans The Astrophysical Journal.

La première observation sur NGC 6946 par Hannah Earnshaw (Caltech) et ses collaborateurs  montrait 3 sources X ultralumineuses (des ULX), Mais 10 jours plus tard, lors d'une deuxième observation avec les télescopes X, ils virent non plus 3 sources X intenses mais 4. Et encore 10 jours plus tard, cette fois-ci avec la Rolls des télescopes X qu'est Chandra, ils ont observé à nouveau les trois ULX principales, et la nouvelle source avait disparu. 

Cet objet transitoire a alors été classé lui aussi comme une ULX, recevant le nom de ULX-4. Puisque qu'aucune lumière visible n'a pu être détectée en association avec cette source de rayons X, les chercheurs peuvent rejeter que ce soit une supernova. Cette ULX est néanmoins très atypique puisque NuSTAR par exemple observe normalement des changements très lents dans le temps sur les ULX. Mais il se trouve aussi que des observations récurrentes et répétées sur de courtes périodes sur une même galaxie sont assez rare. Il se pourraient donc que ce type de sources soit commun mais qu'on ne les voit tout simplement pas parce qu'on ne les observe pas au bon moment.

Hannah Earnshaw et ses collaborateurs essayent donc de trouver une origine pour une telle source X ultra-lumineuse mais très courte. Ils proposent une première solution impliquant un trou noir stellaire qui aurait absorbé une étoile en la déchiquetant préalablement. Les débris de l'étoile spiralant vers le trou noir seraient portés rapidement à une très grande température, des millions de degrés, émettant alors des rayons X, à l 'image de ce qui se passe à beaucoup plus grande échelle dans les quasars.

Une ULX normale est plus vue comme une accrétion continue de gaz, moins dramatique,  autour d'un trou noir stellaire.

Mais les astrophysiciens ne se contente pas d'une seule hypothèse. Leur seconde hypothèse pour ULX-4 impliquerait non plus un trou noir stellaire, mais une étoile à neutrons. Earnshaw et ses collègues expliquent que les étoiles à neutrons, via leurs champs magnétiques extrêmes, peuvent théoriquement produire des "colonnes" qui canalisent la matière en cours d'accrétion jusqu'au niveau de leur surface, ce qui doit produire alors une bouffée de rayons X. Mais en temps normal, la matière ne peut pas atteindre la surface car l'étoile à neutrons tourne très vite sur elle-même, et les champs magnétiques créent en fait une véritable barrière de confinement. Mais cette barrière pourrait tout de même "vaciller" brièvement, ce qui pourrait permettre à la matière d'atteindre la surface de l'étoile à neutrons de façon temporaire... Suffisamment pour produire une belle bouffée de rayons X, et une belle source X ultra-lumineuse transitoire. Cependant, les astrophysiciens américains et européens ne détectent aucune pulsation dans le signal de ULX-4.

La meilleure façon de départager les deux hypothèses des chercheurs, ce sera de suivre NGC 6946 le plus longtemps possible pour déceler une éventuelle nouvelle apparition de ULX-4. Si elle se répète, le scénario le plus probable sera le second scénario, celui de l'étoile à neutrons.

Cette nouvelle découverte dans la galaxie du Feu d'Artifice offre en tous cas une nouvelle compréhension de l'un des cas les plus rares où de la matière est accrétée autour d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons.

Source

A Broadband Look at the Old and New ULXs of NGC 6946

Hannah P. Earnshaw et al.

The Astrophysical Journal, Volume 881, Number 1

https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab20cd

Illustration

Image composite  visible (SDSS) - rayons X (NuSTAR) de NGC 6946. Les ULX "normales" sont représentées en bleu, et ULX-4 est en vert. (NASA/JPL-Caltech)