Dans un entretien que nous a accordé Didier Barret, Directeur de Recherches au Centre National de la Recherche Scientifique en poste au Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements de Toulouse et rattaché à l’Université Paul Sabatier et l’Observatoire Midi-Pyrénées, nous avons fait le point sur les 10 années d’activités d’XMM-Newton.

Lancé en décembre 1999 par une fusée Ariane 5 (AR504), ce télescope a sans aucun doute révolutionné l’astronomie des rayons X, une discipline fondée sur l'observation de la lumière d'objets stellaires à des longueurs d'onde de l'ordre de l'angström ou des énergies de l'ordre du kilo électron-volt (keV).

Cet observatoire dédié à l’Univers extrême ‘n’a pas déçu les attentes des astronomes’ comme nous l’explique Didier Barret. Il a révélé un ‘Univers peuplé de source X qui sont certainement des noyaux de galaxies actives’, autrement dit des trous noirs super massifs qui accrétent la matière environnante. La sensibilité et la surface collectrice de ses miroirs a permis de ‘détailler avec une précision inégalée tous les phénomènes associés aux sources X observées’ et partant de là de mieux les comprendre. Il a permis l’observation de ces objets avec ‘beaucoup plus de détails par rapport à ce que l’on a pu faire avant et révolutionné notre vision de l’Univers de l’extrême’.

Le catalogue de sources recensées par XMM-Newton contient près de 300.000 sources, couvrant une très grande variété d'objets (image: XMM-LSS survey)

On retiendra qu’XMM-Newton a ouvert une fenêtre sur l’Univers profond, sur l’Univers distant grâce à sa sensibilité exceptionnelle. ‘Ca nous a permis de voir des sources X beaucoup plus loin et beaucoup plus faibles’. Ce télescope a montré que l’on pouvait utiliser les rayons X produits à proximité des objets compacts pour comprendre la physique des champs gravitationnels extrêmes.

Pour Didier Barret, XMM-Newton a révolutionné notre vision des objets galactiques. ‘Il a bouleversé ma vision des sources X galactiques en montrant qu’à partir de la seule émission X il est possible de comprendre vraiment la physique de ces objets’ et de 'remonter aux paramètres macroscopiques fondamentaux qui caractérisent les objets compacts (masse, rayon, moment angulaire)’.


Trous noirs

XMM-Newton a fait progresser de nombreux thèmes de recherche dont celui des trous noirs.

Ca tombe bien, Didier Barret est un des spécialistes de leur étude. Ce chercheur nous explique que l’on a aujourd’huiune meilleure connaissance de l’environnement proche des trous noirs.

Avec ce télescope on a une compréhension bien meilleure des processus d’accrétion de la façon dont la matière est accrétée par un objet compact comme un trou noir ou une étoile à neutron (image : vue artistique d'un trou noir supermassif)


‘J’aurais tendance à dire qu’on sait mieux appréhender la physique des parties internes des disques d’accrétion autour des trous noirs. C’est un des grands résultats d’XMM-Newton qui a fait l’objet de nombreuses publications’ et d’expliquer que lorsque on arrive à modéliser les émissions X en provenance des trous noirs, ‘on a pu mesurer le taux de rotation (le moment angulaire) du trou noir et, en déduire que celui était maximal’.

Reste à comprendre comment on accélère la rotation des trous noirs.


Les trous noirs de masse intermédiaire

On doit à Didier Barret et à son équipe au CESR la découverte d’une source X qui est selon toute vraisemblance un trou noir de masse intermédiaire, entre les trous noirs de masse stellaire, de trois à vingt masses solaires qui se forment à la suite de l'effondrement gravitationnel des étoiles massives et les trous noirs super massifs, de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires qui se trouvent au centre des galaxies.

Représentation artistique de la source X, nommée HLX-1. Crédit Heidi Sagerud

Cette découverte que l’on peut considérée comme majeure ‘pourrait expliquer la formation des trous noirs super massifs !’ Leur formation est encore fortement débattue. On ne sait pas comment ils se sont formés. L'une des hypothèses est que les trous noirs super massifs se forment par l'accrétion de trous noirs de masse intermédiaire (de 500 à 10.000 masses solaires). En découvrir un est donc un résultat très important car c’est ‘la preuve la plus solide de l’existence de ce type d’objets dans l’Univers’.


Les étoiles à neutrons

Les étoiles à neutrons figurent parmi les objets les plus denses de l'univers. Elles concentrent une masse équivalente à celle du Soleil dans une sphère dont le diamètre est de l'ordre de 10 km. Seule leur masse les différencie des trous noirs. On pense que la masse maximale d’une étoile à neutrons est d’environ 3 fois la masse du Soleil. Au-delà de cette taille les étoiles ne sont pas stables.

Sur cette question, ‘XMM-Newton a permis de contraindre l’état de la matière qui compose le cœur de l’étoile à neutrons.’ Une performance remarquable car, plus on se rapproche du cœur de l’étoile et moins on connait de choses. ‘La matière se trouve dans des conditions de densité extrême, des densités supra nucléaires’ Pour y voir plus clair, les chercheurs ont besoin de mesurer la masse et le rayon de ces étoiles. En effet établir un rapport entre ces deux grandeurs permet de calculer sa densité. Avant le lancement d'XMM-Newton, aucun instrument n'était capable de fournir les mesures nécessaires. Grâce à l'observatoire de l'ESA, ‘les astronomes ont pu mesurer, pour la première fois, le rapport entre la masse et le rayon d'une étoile à neutrons et obtenir ainsi une première série d'indications sur sa composition’.

D’autres très beaux résultats

Parmi les autres résultats importants on citera l’observation d’effets de relativité générale comme la distorsion par effet relativiste de raies de fluorescence du Fer. Pour Didier Barret, ‘l’observation d’effets relativistes à proximité des trous noirs avec une telle précision et un niveau de détail est une très bonne surprise’ et de rajouter ‘ça colle bien au modèle’.

Pour conclure, partout ou XMM-Newton a été utilisé à son maximum, ‘c’est-à-dire partout où sa sensibilité extrême était nécessaire’, il a révolutionné la physique et l’astrophysique.


L’après XMM-Newton

‘Les leçons d’XMM-Newton montrent que pour franchir un pallier’, le télescope qui lui succédera devra avoir plus de sensibilité. Les scientifiques souhaitent une surface collectrice de photons à peu près 20 fois plus grande et une focale également plus longue que celle d’XMM-Newton qui est de 7,5 m de façon 'à aller vers les hautes énergies vers les 40 Kev'.


Avec IXO, on s’attend à ce qu’il atteigne des objets situés à des redshifts proche de 10 (Typiquement, XMM-Newton limite ses observations à des redshifts de 1 à 2) ‘de façon à voir les premiers trous noirs formés dans l’Univers’ ce qui nous aidera à comprendre comment se forment les trous noirs de plusieurs milliards de masse solaire. Ce que l’on veut, ‘c’est mesurer la masse des trous noirs en construction en fonction du décalage vers le rouge et trouver les premiers trous noirs primordiaux qui vont donner naissance aux galaxies que l’on observe aujourd’hui’



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