Aux yeux humains, le ciel nocturne entre les étoiles apparaît sombre, le vide de l’espace. Mais les télescopes à rayons X capturent une vue profondément différente. Comme un feu d’artifice lointain, nos images du ciel aux rayons X révèlent un univers fleuri d’activité. Ils font allusion à des éruptions cosmiques encore inconnues provenant de quelque part plus profondément dans notre galaxie.
Pour aider à trouver la source de ces mystérieux rayons X, l’astronome de Madison de l’Université du Wisconsin, Dan McCammon, et son équipe lancent le calorimètre quantique à rayons X ou instrument XQC. XQC effectuera son septième voyage dans l’espace à bord d’une fusée suborbitale de la NASA. Cette fois, XQC observera une tache de lumière X avec une résolution énergétique 50 fois meilleure que jamais auparavant, clé pour révéler sa source. La fenêtre de lancement s’ouvre au centre spatial d’Arnhem d’Equatorial Launch Australia dans le Territoire du Nord, en Australie, le 26 juin 2022.
Parce que l’atmosphère terrestre absorbe les rayons X, nos premières vues des rayons X cosmiques ont attendu l’ère spatiale. En juin 1962, les physiciens Bruno Rossi et Ricardo Giacconi lancent le premier détecteur de rayons X dans l’espace. Le vol a révélé les premières sources de rayons X au-delà de notre soleil : Scorpius X-1, un système stellaire binaire situé à quelque 9 000 années-lumière, ainsi qu’une lueur diffuse répartie dans le ciel. La découverte a fondé le domaine de l’astronomie des rayons X et a ensuite valu à Giacconi une part du prix Nobel de physique 2002.
Cette image animée montre les deux sources alternatives de rayons X que la mission XQC étudie. Crédit : Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Les scientifiques ont maintenant cartographié le ciel aux rayons X avec des détails de plus en plus fins avec l’aide d’autres missions de rayons X de la NASA. Pourtant, il existe plusieurs taches lumineuses dont les sources sont inconnues. Pour le vol à venir, McCammon et son équipe cibleront une tache de lumière à rayons X partiellement visible depuis l’hémisphère nord.
« Il couvre une grande partie de la galaxie, mais nous devions être dans l’hémisphère sud pour voir cette partie du ciel », a déclaré McCammon. « Nous attendons depuis longtemps cette expédition en Australie. »
Les scientifiques pensent que le patch de rayons X provient de gaz diffus et chauds chauffés par des supernovae, les brillantes éruptions d’étoiles mourantes. La mission XQC étudie deux sources possibles, illustrées dans le graphique ci-dessous.
Une possibilité est que les rayons X proviennent de gaz chauffés par des supernovae de « type Ia », l’agonie d’étoiles massives qui vivent des dizaines à des centaines de millions d’années. La partie interne de notre galaxie a une concentration suffisamment élevée de ce type de supernova pour chauffer le patch de rayons X que McCammon étudie.
L’autre source possible est les supernovae de « Type II ». Les étoiles à l’origine de la supernova de type II sont encore plus massives, brûlent plus brillantes et plus chaudes et ne vivent que quelques millions d’années avant de devenir supernova. Ils se produisent dans des régions actives de formation d’étoiles, comme celles de l’un des bras spiraux internes de notre galaxie.
Pour distinguer ces possibilités, XQC analysera la lumière des rayons X, à la recherche de traces d’oxygène et de fer. Plus d’oxygène indique des supernovae de type II, tandis que moins d’oxygène suggère des supernovae de type Ia. La physique sous-jacente est complexe mais découle en fin de compte de la durée pendant laquelle les étoiles ont brûlé avant d’entrer en éruption. Les étoiles plus petites derrière les supernovae de type Ia brûlent plus longtemps, laissant moins d’oxygène que les supernovae de type II.
Bien sûr, le vol est susceptible de capturer également beaucoup plus d’informations. « Il s’agit d’une exploration avec une nouvelle capacité – nous voulons voir ce que nous pouvons voir », a déclaré McCammon. « Chaque fois que nous regardons le ciel à rayons X avec une nouvelle capacité, cela s’avère plus compliqué que nous ne le pensions. »
Après le vol, l’équipe prévoit de récupérer l’instrument. Il se retirera dans les laboratoires nationaux d’Oak Ridge dans le Tennessee, où il contribuera aux expériences de laboratoire.
Ce vol sera le dernier voyage de XQC dans l’espace, mais le tout premier de la nouvelle gamme de fusées du centre spatial d’Arnhem à East Arnhem, en Australie. XQC fait partie d’une campagne à trois fusées lancée depuis la gamme en juin et juillet 2022, le premier lancement de la NASA depuis l’Australie depuis 1995.