Invisibles à nos yeux, les rayons X émis par les gaz chauds qui remplissent une grande partie de l’Univers peuvent éclairer de nombreux mystères cosmiques. Les premières observations de ce gaz par la mission d’imagerie et de spectroscopie à rayons X (XRISM) de la JAXA sont prêtes et démontrent que la mission jouera un rôle majeur dans la révélation de l’évolution de l’Univers et de la structure de l’espace-temps.
L’observatoire japonais XRISM (X-ray Imaging and Spectroscopy Mission) a publié ses premières données : un instantané d’un amas de centaines de galaxies et un spectre de débris d’étoiles dans une galaxie proche, donnant aux scientifiques une compréhension détaillée de sa composition chimique. . XRISM (prononcer « crism ») est dirigé par la JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) en collaboration avec la NASA, et également avec la participation de l’ESA (Agence spatiale européenne). Il a été lancé le 6 septembre 2023.
Richard Kelly, chercheur principal XRISM au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland : “Nous verrons non seulement des images aux rayons X de ces sources, mais nous étudierons également leur composition, leur mouvement et leur état physique.” XRISM est conçu pour détecter les rayons X avec des énergies allant jusqu’à 12 000 électrons-volts et étudiera les régions les plus chaudes de l’Univers, les plus grandes structures et les objets ayant la plus forte gravité. À titre de comparaison, l’énergie de la lumière visible est de 2 à 3 électrons-volts.
Les premières images de test XRISM montrent un amas de galaxies et un reste de supernova – la coquille laissée après l’explosion d’une étoile massive. De plus, XRISM a mesuré l’énergie des rayons X émanant du reste de la supernova pour révéler les éléments chimiques qu’il contenait. Les observations démontrent les capacités exceptionnelles des deux instruments scientifiques de XRISM.
Resolve est un spectromètre microcalorimétrique développé par la NASA et la JAXA. Il fonctionne à des températures d’à peine une fraction de degré au-dessus du zéro absolu à l’intérieur d’un récipient rempli d’hélium liquide de la taille d’un réfrigérateur. Lorsque les rayons X frappent le détecteur 6 x 6 pixels de Resolve, ils chauffent l’appareil d’une quantité correspondant à son énergie. En mesurant l’énergie de chaque rayon X individuel, l’instrument fournit des informations auparavant indisponibles sur la source.
L’équipe de la mission a utilisé Resolve pour étudier N132D, un reste de supernova et l’une des sources de rayons X les plus brillantes du Grand Nuage de Magellan, une galaxie naine située à environ 160 000 années-lumière dans la constellation méridionale de Dorado. On estime que les débris en expansion ont environ 3 000 ans. Ils se sont formés lorsqu’une étoile ayant une masse environ 15 fois supérieure à celle du Soleil a manqué de carburant et a explosé.
Le spectre de résolution montre des pics associés au silicium, au soufre, au calcium, à l’argon et au fer. Il s’agit des spectres de rayons X d’un objet les plus détaillés jamais obtenus. “Ces éléments se sont formés dans l’étoile d’origine puis ont explosé en supernova”, a déclaré Brian Williams, scientifique du projet XRISM de la NASA à Goddard. “L’équipement nous permettra de voir la forme de ces lignes d’une manière qui n’était pas possible auparavant, nous permettant de déterminer non seulement le contenu des différents éléments présents, mais aussi leur température, leur densité et leurs directions de mouvement à un niveau sans précédent. d’exactitude. À partir de là, nous pouvons rassembler des informations sur l’étoile d’origine et l’explosion.»
Le deuxième instrument XRISM, Xtend, est un scanner à rayons X développé par JAXA. Cela donne à XRISM un champ de vision plus large, lui permettant d’observer une zone environ 60 % plus grande que la taille apparente moyenne de la pleine Lune. Xtend a capturé une image aux rayons X d’Abell 2319, un amas de galaxies massif situé à environ 770 millions d’années-lumière dans la constellation nord du Cygne. Il s’agit du cinquième amas de rayons X le plus brillant du ciel et fait actuellement l’objet d’une fusion majeure.
Le cluster mesure 3 millions d’années-lumière de diamètre et met en évidence les capacités d’analyse étendues de Xtend. Cette image révolutionnaire est une vue panoramique d’un amas de galaxies voisin appelé Abell 2319. En violet, nous voyons la lumière des rayons X provenant d’un gaz à des millions de degrés qui filtre entre les galaxies de l’amas. L’observation de ce gaz aide les astronomes à mesurer la masse totale d’un amas de galaxies, révélant ainsi des informations sur la naissance et l’évolution de l’univers.
«Même avant la fin du processus de mise en service, Resolve dépassait déjà nos attentes», a déclaré Lillian Reichenthal, chef de projet NASA XRISM chez Goddard. “Notre objectif était d’atteindre une résolution spectrale de 7 électrons-volts avec l’instrument, mais maintenant qu’il est en orbite, nous atteignons 5. Cela signifie que nous obtiendrons des cartes chimiques encore plus détaillées avec chaque spectre obtenu par XRISM.”
Resolve fonctionne exceptionnellement bien et produit déjà des résultats scientifiques passionnants, malgré le problème de la porte d’ouverture recouvrant le détecteur. Une porte conçue pour protéger le détecteur avant le démarrage ne s’est pas ouverte comme prévu après plusieurs tentatives, bloquant les rayons X de faible énergie, arrêtant ainsi le fonctionnement à 1 700 électrons-volts, en baisse par rapport aux 300 prévus.
La phase de mise en service du navire sera achevée d’ici fin janvier. En février, la JAXA commencera à calibrer les instruments et à démontrer leurs capacités. Le temps alloué par l’ESA dans le cadre d’un programme d’observation public ouvert aux scientifiques du monde entier permettra aux scientifiques européens de profiter des opportunités scientifiques exceptionnelles offertes par les capacités spectroscopiques à haute résolution sans précédent de Resolve. Les scientifiques ont déjà été invités à soumettre des propositions d’observations qu’ils souhaiteraient réaliser à partir d’août 2024. La date limite est le 4 avril 2024.
“Ces premières images lumineuses démontrent que XRISM tient sa promesse d’inaugurer une nouvelle ère dans la spectroscopie d’imagerie des gaz chauds à haute résolution dans l’Univers”, a déclaré Matteo Guainazzi, scientifique du projet XRISM de l’ESA. “J’encourage chaleureusement les scientifiques des États membres de l’ESA à profiter des capacités uniques offertes par XRISM et à soumettre des propositions d’observations avec ce magnifique télescope.”
Les observations réalisées avec XRISM compléteront les données du télescope à rayons X XMM-Newton de l’ESA et constitueront une excellente base pour les études prévues par la future mission de grande classe NewAthena de l’ESA. Ce dernier est conçu pour surpasser considérablement les observatoires spectroscopiques et d’enquête à rayons X existants en termes de capacités scientifiques.
