Lorsqu’une étoile naît ou meurt, ou lorsque tout autre phénomène très énergétique se produit dans l’univers, il émet des rayons X, qui sont des particules lumineuses à haute énergie qui ne sont pas visibles à l’œil nu. Ces radiographies sont du même genre que les médecins utilisentprendre des photos d’os brisés à l’intérieur du corps. Mais au lieu d’observer les ombres produites par les os qui bloquent les rayons X à l’intérieur d’une personne, les astronomes détectent les rayons X volant dans l’espace pour obtenir des images d’événements tels que les trous noirs et les supernovae.
Les images et les spectres – des graphiques montrant la répartition de la lumière sur différentes longueurs d’onde provenant d’un objet – sont les deux principales méthodes utilisées par les astronomes pour étudier l’univers. Les images leur disentà quoi ressemblent les choses et où certains phénomènes se produisent, tandis que les spectres leur disentquelle est la quantité d’énergie que possèdent les photons, ou particules de lumière, qu’ils collectent. Spectra peut leur expliquer comment l’événement dont ils sont issus s’est formé. Lors de l’étude d’objets complexes, ils ont besoin à la fois d’imagerie et spectres.
Des scientifiques et des ingénieurs ont conçu l’observatoire à rayons X Chandrapour détecter ces rayons X. Depuis 1999, les données de Chandra ont fourni aux astronomes des images incroyablement détaillées de certains des événements les plus dramatiques de l’univers.
Le vaisseau spatial Chandra et ses composants. NASA/CXC/SAO et J.Vaughan
Les étoiles qui se forment et meurent créent des explosions de supernova qui envoient des éléments chimiques dans l’espace. Chandra regarde le gaz et les étoiles tomber dans les profondes attractions gravitationnelles des trous noirs, et cela en témoigne car un gaz mille fois plus chaud que le Soleil s’échappe des galaxies dans des vents explosifs. Il peut voir quand la gravité d’énormes masses de matière noire emprisonne ce gaz chaud dans de gigantesques poches.
À gauche, la supernova Cassiopée A. L’image mesure environ 19 années-lumière et différentes couleurs dans l’image identifient différents éléments chimiques (le rouge indique le silicium, le jaune indique le soufre, le cyan indique le calcium, le violet indique le fer et le bleu indique une énergie élevée). Le point au centre pourrait être le reste de l’étoile à neutrons de l’étoile explosée. Sur la droite se trouvent les galaxies « Antennes » en collision, qui forment une structure gigantesque d’environ 30 000 années-lumière de diamètre. Centre de radiographie Chandra
La NASA a conçu Chandra pour qu’il orbite autour de la Terre car elle ne serait pas en mesure de voir cette activité depuis la surface de la Terre. L’atmosphère terrestre absorbe les rayons X provenant de l’espace, ce qui est excellent pour la vie sur Terre car ces rayons X peuvent nuire aux organismes biologiques. Mais cela signifie également que même si la NASA plaçait Chandra au sommet de la montagne la plus haute, elle ne serait toujours pas en mesure de détecter des rayons X. La NASA devait envoyer Chandra dans l’espace.
je suis astrophysicien au Smithsonian Astrophysical Observatory, qui fait partie du Center for Astrophysics | Harvard et Smithsonian. Je travaille sur Chandra depuis avant son lancement il y a 25 ans, et ce fut un plaisir de voir ce que l’observatoire peut apprendre aux astronomes sur l’univers.
Trous noirs supermassifs et leurs galaxies hôtes
Les astronomes ont découvert trous noirs supermassifsdont la masse est dix à 100 millions de fois supérieure à celle de notre Soleil, dans les centres de toutes les galaxies. Ces trous noirs supermassifs sont pour la plupart tranquilles et les astronomes peuvent les détecter en observant l’attraction gravitationnelle qu’ils exercent sur les étoiles proches.
Mais parfois, des étoiles ou des nuages tombent dans ces trous noirs, ce qui les active et fait émettre de nombreux rayons X à la région proche du trou noir. Une fois activés, ils sont appelés noyaux galactiques actifs, AGN, ou quasars.
Mes collègues et moi voulions mieux comprendre ce qui arrive à la galaxie hôte une fois que son trou noir se transforme en AGN. Nous avons choisi une galaxie, ESO 428-G014à regarder avec Chandra.
Un AGN peut éclipser sa galaxie hôte, ce qui signifie que plus de lumière provient de l’AGN que de toutes les étoiles et autres objets de la galaxie hôte. L’AGN dépose également beaucoup d’énergie dans les limites de sa galaxie hôte. Cet effet, ce que les astronomes appellent feedback, est un ingrédient important pour les chercheurs qui construisent des simulations modélisant l’évolution de l’univers au fil du temps. Mais nous ne savons toujours pas exactement quel rôle joue l’énergie d’un AGN dans la formation des étoiles dans sa galaxie hôte.
Heureusement, les images de Chandra peuvent fournir des informations importantes. J’utilise des techniques informatiques pour créer et traiter des images de l’observatoire qui peuvent me renseigner sur ces AGN.
Obtenir la résolution Chandra ultime. De gauche à droite, vous voyez l’image brute, la même image avec une résolution plus élevée et l’image après application d’un algorithme de lissage. G. Fabbiano
Le trou noir supermassif actif d’ESO 428-G014 produit des rayons X qui éclairent une vaste zone, s’étendant jusqu’à 15 000 années-lumière du trou noir. L’image de base que j’ai générée de l’ESO 428-G014 avec les données Chandra me dit que la région proche du centre est la plus brillante et qu’il existe une grande région allongée d’émission de rayons X.
Les mêmes données, avec une résolution légèrement supérieure, montrent deux régions distinctes à fortes émissions de rayons X. Il y a une « tête » qui englobe le centre, et une « queue » légèrement incurvée s’étendant vers le bas à partir de cette région centrale.
Je peux également traiter les données avec un algorithme de lissage adaptatif qui amène l’image à une résolution encore plus élevée et crée une image plus claire de ce à quoi ressemble la galaxie. Cela montre des nuages de gaz autour du centre lumineux.
Mon équipe a pu observer certaines des façons dont l’AGN interagit avec la galaxie. Les images montrent des vents nucléaires balayant la galaxie, des nuages denses et des gaz interstellaires réfléchissant la lumière des rayons X, et des jets émettant des ondes radio qui réchauffent les nuages dans la galaxie.
Ces images nous apprennent en détail comment ce processus de rétroaction fonctionne et comment mesurer la quantité d’énergie déposée par un AGN. Ces résultats aideront les chercheurs à produire des simulations plus réalistes de l’évolution de l’univers.
Les 25 prochaines années d’astronomie aux rayons X
L’année 2024 marque le 25e anniversaire depuis que Chandra a commencé à observer le ciel. Mes collègues et moi continuons de dépendre de Chandra pour répondre aux questions sur l’origine de l’univers comme aucun autre télescope ne peut le faire.
En fournissant aux astronomes des données radiographiques, les données de Chandra complètent les informations provenant du Le télescope spatial Hubble et le télescope spatial James Webb donner aux astronomes des réponses uniques aux questions ouvertes en astrophysique, comme par exemple la provenance des trous noirs supermassifs trouvés au centre de toutes les galaxies.
Pour cette question particulière, les astronomes ont utilisé Chandra pour observer une galaxie lointaine observée pour la première fois par le télescope spatial James Webb. Cette galaxie a émis la lumière capturée par Webb il y a 13,4 milliards d’années, lorsque l’univers était jeune. Les données radiographiques de Chandra ont révélé un trou noir supermassif brillant dans cette galaxie et ont suggéré que des trous noirs supermassifs pourraient se former par le effondrement des nuages au début de l’univers.
L’imagerie nette a été cruciale pour ces découvertes. Mais Chandra devrait ne dure que 10 ans. Pour poursuivre la recherche de réponses, les astronomes devront commencer à concevoir un observatoire à rayons X « super Chandra » qui pourrait succéder à Chandra dans les décennies à venir, bien que la NASA n’ait pas encore annoncé de projet concret en ce sens.
Giuseppina Fabbiano est astrophysicien principal à la Smithsonian Institution. Cet article est republié à partir de La conversation sous un Licence Creative Commons. Lis le article original.
