Résultats clés

Voici quelques résultats récents du télescope spatial XMM-Newton.

Le mécanisme à l’origine des aurores en rayons X sur Jupiter dévoilé

La planète Jupiter est celle qui, dans notre Système solaire, possède les aurores les plus grandes et les plus intenses. Mais elles sont aussi très différentes des aurores polaires qui apparaissent aussi autour des pôles d’autres planètes. Contrairement à celles de la Terre, les aurores de Jupiter n’apparaissent pas systématiquement au pôle Nord et au pôle Sud en même temps. Et contrairement aux aurores sur Saturne, celles de Jupiter émettent des rayons X.

De plus, sur Terre, les aurores forment un cercle autour du pôle Nord (plus ou moins large en fonction de l’activité solaire) mais n’apparaissent jamais directement au-dessus des pôles. Contrairement aux aurores X de Jupiter qui, elles, peuvent apparaître aux pôles en pulsant régulièrement.
Autant de différences qui poussent, depuis presque un demi-siècle, la communauté astronomique à essayer de décrypter les mécanismes à l’origine des aurores X de la géante gazeuse.

Les indices essentiels sont apparus lors d'une analyse combinée des données du télescope XMM-Newton de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) et de la sonde spatiale Juno de l’Agence Spatiale Américaine (NASA). Situé en orbite autour de la Terre, XMM-Newton permet d'observer Jupiter à distance dans les longueurs d'onde des rayons X. Juno est une sonde qui tourne autour de Jupiter et prend des mesures in situ, à l'intérieur de son immense champ magnétique.

Le 16 et 17 juillet 2017, XMM-Newton a détecté sur Jupiter des aurores X pulsantes toutes les 27 minutes. Au même moment, la sonde Juno observait des processus magnétiques se produisant au même rythme dans la magnétosphère jovienne.

La conclusion est que ces aurores boréales X pulsées sont causées par les fluctuations du champ magnétique de Jupiter. L’interaction de la magnétosphère jovienne avec les particules du vent solaire la comprime. Ces compressions accélèrent les ions chargés piégées dans le champ magnétique de Jupiter, ce qui les dirige le long de ses lignes de champ à travers des millions de kilomètres pour finalement s'écraser sur l'atmosphère polaire de la planète et provoquer les aurores à rayons X.

Cette étude ne trace que les grandes lignes des phénomènes qui relient le vent solaire, le champ magnétique de Jupiter, les ions qui y sont piégés et l’atmosphère de la géante gazeuse. D’autres recherches seront nécessaires pour compléter nos connaissances sur Jupiter.

Pour aller plus loin : Z. Yao et al., Revealing the source of Jupiter’s x-ray auroral flares, Science (2021)

Trois étoiles à neutrons défient la plupart des modèles qui tentent de décrire leur état

Les étoiles à neutrons font partie des objets astronomiques les plus denses de l’Univers (de l’ordre de 100 millions de tonnes par centimètre cube). Elles sont issues de la mort explosive de certaines des plus grosses étoiles connues, appelées supernovae. L’explosion finie, il ne reste de l’étoile qu’un astre minuscule, d’environ 10 km de rayon, extrêmement dense et chaud. La matière à l’intérieur d’une étoile à neutrons est si comprimée qu’elle existe dans des états exotiques uniques à ces environnements extrêmes, très difficiles à caractériser.

Pour décrire l’intérieur d’une étoile à neutrons, il est nécessaire de définir ce qu’on appelle son « équation d’état », qui décrit la relation entre pression et densité, et caractérise les propriétés de la matière qui forme les étoiles à neutrons.

Confronter la théorie aux observations

Plusieurs centaines de modèles sont actuellement disponibles pour décrire les différents états de la matière à mesure qu’on s’enfonce à l’intérieur d’une étoile à neutrons. Devant cette profusion, il est nécessaire de disposer de mesures observationnelles qui permettent d’en éliminer une partie et de réduire ce choix.

En analysant les données des télescopes spatiaux à rayons X XMM-Newton de l'ESA et Chandra de la NASA, des scientifiques ont découvert trois étoiles à neutrons 10 à 100 fois plus froides que leurs homologues du même âge.

« Le jeune âge et la faible température de surface de ces trois étoiles à neutrons ne peuvent être expliqués qu’en invoquant un mécanisme de refroidissement rapide. Comme ce refroidissement accéléré n’est compatible qu’avec certaines équations d’état, cela nous permet d’exclure une partie importante des modèles possibles », explique l’astrophysicienne Nanda Rea, dont le groupe de recherche a dirigé l’étude.

L’existence de ces trois exceptions à la règle permet donc de « faire le ménage » dans les modèles disponibles et d’affiner ceux qui résistent encore à ces observations.

Pour aller plus loin : A. Marino et al., Constraints on the dense matter equation of state from young and cold isolated neutron stars, Nature Astronomy (2024)
 

Comment les premiers trous noirs supermassifs se sont-ils formés aussi vite ?

Comment des trous noirs supermassifs, avec des masses comprises entre plusieurs millions et plusieurs milliards de masses solaires, ont-ils pu se former si rapidement (moins d'un milliard d'années) dans l’univers primitif ?

Les télescopes spatiaux à rayons X XMM-Newton de l'ESA et Chandra de la NASA ont observé 21 quasars à un décalage spectral z>6 (dont la distance est si grande qu’on les observe tels qu’ils étaient lorsque l’Univers avait moins d’un milliard d’années).

Quasars et trous noirs

Les quasars sont des noyaux actifs de galaxies, des trous noirs supermassifs qui engloutissent d’immenses quantités de matières et dont le voisinage émet de grandes quantités de rayonnement et de particules.

Contrairement à certaines hypothèses impliquant la fusion successive de petits trous noirs stellaires (phénomène qui prendrait beaucoup trop de temps pour arriver aux masses observées), les données suggèrent que les trous noirs supermassifs au centre de ces quasars pourraient avoir atteint leurs masses gigantesques grâce à une accumulation de matière très rapide et très importante.

Cette étude met en évidence une relation entre l’émission en rayons X et la vitesse des vents de particules éjectés par ces quasars.

Les résultats indiquent une phase de croissance extrêmement rapide, dépassant même une limite physique à l'accrétion de matière appelée limite d'Eddington. C’est pourquoi cette phase est appelée « super-Eddington ».

« Nos travaux suggèrent que les trous noirs supermassifs au centre des premiers quasars formés au cours du premier milliard d'années de vie de l'Univers pourraient en réalité avoir augmenté leur masse très rapidement, défiant les limites de la physique connue », explique Alessia Tortosa, auteure principale de l'étude et chercheuse à l'INAF de Rome.

Pour aller plus loin : A. Tortosa et al., HYPERION. Shedding light on the first luminous quasars: A correlation between UV disc winds and X-ray continuum, Astronomy & Astrophysics (2024)

3^e catalogue XMM-Newton Serendipitous Source (3XMM-DR4)

La publication, en 2013, du catalogue catalogue 3XMM-DR4 du télescope spatial XMM-Newton fournit une librairie sans précédent des sources de rayons X cosmiques pour une exploration de l'Univers extrême. Ce catalogue "XMM-Newton Serendipitous Source" (3XMM-DR4) contient plus d'un demi-million de sources, qui sont toutes fournies avec une meilleure qualité que précédemment. Une amélioration du traitement des données signifie que l'identification des sources est plus fiable et que des objets plus faibles sont détectés.

Le catalogue fournit un ensemble de données exceptionnel pour générer des échantillons larges et bien définis d'objets tels que des galaxies actives (qui dominent les détections dans ce catalogue), des amas de galaxies, des binaires compactes interagissantes et des couronnes stellaires actives. Ce vaste inventaire héberge aussi quelques-uns des phénomènes les plus rares et les plus extrêmes dans l'Univers, comme les événements de perturbation de marées - quand un trou noir avale une autre étoile, produisant une émission gigantesque de rayons X.

Les sources du catalogue 3XMM sont identifiées et isolées des données fortuites enregistrées par les caméras à rayons X EPIC d'XMM-Newton. Dans chacune des 600-700 observations faites chaque année, environ 70 sources supplémentaires sont capturées en plus des objets ciblés qui ne prennent qu'une petite fraction du champ de vue. Couvrant les observations entre février 2000 et décembre 2012, le catalogue contient quelques 531 261 détections de sources de rayons X correspondant à 372 728 sources uniques de rayons X.

Nouvelle version du 3^e catalogue en avril 2015

Une nouvelle version du catalogue XMM-Newton est paru en 2015, il s’agit de la version 3XMM-DR5. Avec 565 962 détections, il s'agissait du plus grand catalogue de sources astronomiques de rayons X existant en 2015. On y trouve aussi bien des objets du système solaire que des trous noirs supermassifs nichés au cœur de galaxies très lointaines. Fruit du travail du consortium européen XMM-SSC (Survey Science Center), auquel participent l'Observatoire de Strasbourg, le Service d'Astrophysique du CEA, et piloté par Natalie Webb de l'IRAP à Toulouse, tous soutenus par le CNES, il constitue une mine d'or pour l'ensemble de la communauté astrophysique internationale.

Les sources X du catalogue XMM-Newton sont des objets tels que des trous noirs supermassifs avalant le gaz et la poussière qui l'entourent au centre des galaxies, des étoiles qui explosent et des étoiles mortes qui se sont effondrées en balles de matière exotique aussi denses que les noyaux atomiques en rotation jusqu'à 1000 fois par seconde. Néanmoins, on pense pouvoir trouver de nouveaux objets exotiques inconnus en se basant sur les résultats des versions précédentes plus petites du catalogue.

Un article scientifique (voir ci-dessous) écrit par le consortium du XMM-Newton Survey Science Centre, a été publié en 2016 dans la revue Astronomy and Astrophysics. Cet article décrit les propriétés du catalogue et de ses produits associés. La publication du catalogue est accompagnée de cet article ainsi que d'une nouvelle version du site internet du XMM-Newton Survey Science Centre (voir ci-dessous).

Pour aller plus loin :

• L'article complet sur le site de l'ESA (en anglais)
• S. R. Rosen et al., The XMM-Newton serendipitous survey. VII. The third XMM-Newton serendipitous source catalogue, Astronomy & Astrophysics (2016)

Notons que depuis cette date et la publication de ces résultats, de nouvelles versions du catalogue ont été régulièrement construites et diffusées, la dernière datant de juillet 2024 (4XMM-DR14 et 4XMM-DR14s). Les différentes versions du catalogue sont répertoriées sur cette page :

Site Internet du XMM-Newton Survey Science Centre

Explosion et naissances d’étoiles en image

La propagation d'une explosion stellaire a pu être capturée dans une image combinant les résultats de deux observatoires spatiaux : Herschel et XMM-Newton. Ces images nous révèlent l'interaction entre les restes de la supernova "W44", située à 10 000 années-lumière, et la matière interstellaire environnante, pouvant conduire à la formation d'une nouvelle génération d'astres.

Le couplage des deux relevés de données, l'un étudiant les émissions dans les rayons X très énergétiques (détecteurs de XMM-Newton), l'autre analysant celles dans l'infrarouge lointain (détecteurs de Herschel), a permis d’une part de cartographier les vestiges de l'explosion stellaire, et d’autre part d'étudier la dynamique qui anime ces restes de matières stellaires, pouvant conduire à la naissance de futures étoiles.

Pour aller plus loin :

• L'article sur le site de l'ESA (en anglais)
• E. Tsiakaliari et al., Supernova Remnants: An Odyssey in Space after Stellar Death, Proceedings of the Conference held 6-11 June 2016, in Chania, Greece

Découverte d’une source de rayons cosmiques basse énergie

Grâce à XMM-Newton, des chercheurs du CNRS et du CEA ont découvert une nouvelle source de rayons cosmiques qui diffèrent des rayons cosmiques connus jusqu'à maintenant. Au voisinage de l'amas des Arches, près du centre de la Voie lactée, ces particules sont accélérées dans l'onde de choc générée par le déplacement à une vitesse d'environ 700 000 km/h de dizaines de milliers de jeunes étoiles. Ces rayons cosmiques produisent alors une émission X caractéristique en interagissant avec les atomes du gaz ambiant.

Il y a cent ans, le physicien autrichien Victor Franz Hess découvrait l'existence d'un rayonnement ionisant d'origine extraterrestre, les "rayons cosmiques". Lorsque certaines étoiles en fin de vie explosent et deviennent des supernovæ, leur matière est éjectée à une vitesse supersonique et génère des ondes de choc qui accélèrent les particules. Certains noyaux atomiques acquérant ainsi une très forte énergie cinétique atteignent la Terre. Il s'agit de rayons cosmiques haute énergie.

Mais les rayons cosmiques dont l'énergie cinétique est inférieure à un demi-milliard d'électronvolts ne sont pas détectés au voisinage de notre planète, car le vent solaire les empêche de pénétrer dans l'héliosphère. On ne sait donc pas grand-chose de la composition chimique des rayons cosmiques basse énergie et de leur flux en dehors du système solaire, mais tout indique qu'ils jouent un rôle important dans la galaxie. Ainsi, en ionisant et en chauffant les nuages interstellaires les plus denses, ils régulent sans doute la formation des étoiles.

De la théorie à l’observation

Les auteurs de l'article ont commencé par étudier de façon théorique l'émission X que devraient générer des rayons cosmiques de basse énergie dans le milieu interstellaire. Puis ils ont recherché la trace de cette émission théorique dans des données en rayons X accumulées par XMM-Newton depuis son lancement en 1999.

En analysant les propriétés de l'émission X du fer interstellaire enregistrée par le satellite, ils ont alors trouvé les signatures d'une forte population d'ions rapides au voisinage de l'amas des Arches, à environ cent années-lumière du centre de la Voie lactée. Les étoiles de cet amas se déplacent de concert à la vitesse d'environ 700 000 km/h.

Les rayons cosmiques sont vraisemblablement produits dans la collision à grande vitesse de l'amas d'étoiles avec un nuage de gaz se trouvant sur leur chemin. Dans cette région particulière, la densité d'énergie des ions accélérés est environ mille fois supérieure à celle des rayons cosmiques au voisinage du système solaire.

"Ces résultats montrent la puissance de la combinaison imagerie-analyse spectrale, et les performances de XMM-Newton. Ils résultent aussi d'un remarquable travail de modélisation et d'analyse scientifique", explique Olivier La Marle, responsable du thème astrophysique au CNES. Le CNES a financé une partie de l'étude et soutient depuis le début le traitement et la mise à disposition des données de XMM-Newton.

Il s'agit de la première découverte d'une source majeure de rayons cosmiques de basse énergie en dehors du système solaire. Cela montre que les ondes de choc des supernovæ ne sont pas les seuls objets à pouvoir accélérer en masse des noyaux atomiques dans la galaxie. Ces résultats devraient permettre d'identifier de nouvelles sources d'ions dans le milieu interstellaire et peut-être de mieux comprendre les effets de ces particules énergétiques sur la formation des étoiles.

Pour aller plus loin : V. Tatischeff, A. Decourchelle, and G. Maurin, Nonthermal X-rays from low-energy cosmic rays: Application to the 6.4 keV line emission from the Arches cluster region, Astronomy & Astrophysics (2012)