spectre de rayons X

Douze étoiles ont reçu un passeport à rayons X. Désormais, pour chacune d'elles, on connaît la dose exacte de rayonnement reçue par une planète située dans la zone habitable, c'est-à-dire la région où l'eau liquide est possible.

La lumière qui naît lorsqu'un électron rapide pénètre dans un matériau est généralement considérée comme identique dans toutes les directions. Mais dans les cristaux où les propriétés optiques dépendent de l'orientation, ce n'est pas le cas. Passez la main sur du velours : dans un sens, il est lisse et brillant ; dans l'autre, il est sombre et rugueux.

Lorsqu'un faisceau laser frappe un gaz, il arrache les électrons des atomes et les accélère presque à la vitesse de la lumière. En traversant le plasma, ces électrons émettent des rayons X, comme une traînée lumineuse laissée par une particule rapide.

Une éponge que l'on arrose lentement avec un arrosoir s'imbibe entièrement. Mais si l'on y jette le même seau d'eau d'un coup, le centre sera mouillé tandis que les bords resteront presque secs. C'est à peu près le comportement d'un matériau qui absorbe l'énergie de manière non linéaire : plus le flux est intense, plus il reste piégé au point d'impact.

Une galaxie ressemble à une ville : au centre, des lumières vives et une densité de bâtiments élevée, tandis qu'en périphérie, les lumières se raréfient et laissent place au vide. Mais si l'on observe la rotation du gaz dans le disque galactique, on constate que sa vitesse ne chute presque pas en périphérie.

Le phare s'embrase puis s'éteint presque, alors que la lampe à l'intérieur brûle d'une flamme régulière. C'est exactement le spectacle qu'ont vu les astronomes en pointant leurs télescopes vers la galaxie I Zwicky 1.

La matière noire est invisible, mais sa gravité régit le mouvement des galaxies. De quoi est-elle composée ? C'est une énigme. Une idée : ce sont des particules ultra-légères, semblables aux axions.

Un phare qui change de couleur à chaque éclat en cadence avec sa rotation — c'est ainsi qu'on pourrait décrire ce que les astronomes ont vu en pointant le tout nouveau télescope à rayons X XRISM sur le pulsar Hercule X-1. Cet objet est une étoile à neutrons qui arrache de la matière à une étoile ordinaire voisine.

La croûte d'une étoile à neutrons n'est pas une simple enveloppe solide. Sous un poids de milliards de tonnes par centimètre carré, les atomes perdent leurs électrons, et les noyaux restants s'organisent en un réseau cristallin rigide, semblable à un nid d'abeilles, mais fait d'une matière un trillion de fois plus dense que l'acier.

Lorsqu'on chauffe de la matière à des millions de degrés, elle se transforme en plasma – un mélange d'électrons libres et d'ions, semblable à une soupe bouillonnante de particules chargées. On ne peut pas sonder cette « soupe » avec un thermomètre ordinaire, mais on peut l'éclairer avec des rayons X.

Une galaxie ressemble à une crêpe lumineuse parsemée d'étoiles. Si on la regarde à plat, on voit tout d'un coup – les bras brillants et les couches sombres de poussière. Mais il suffit d'incliner la crêpe pour que le tableau change : les couches se superposent, la lumière se mélange.

Un faisceau de rayons X est un flux de minuscules paquets d'énergie, les photons. Les détecteurs ordinaires les comptent mais ne distinguent pas les nuances : deux photons d'énergie proche sont identiques pour eux. Le nouvel instrument fonctionne comme un thermomètre sensible : il capture chaque photon et mesure à quel point il a chauffé une fine membrane.

L'étoile à neutrons 4U 1735-44 avale la matière d'une étoile voisine. Cette matière s'enroule en un disque plat, comme l'eau qui s'engouffre dans le drain d'une baignoire. Mais ce disque brille en rayons X, et pour la première fois, les astronomes ont pu mesurer à quel point ces rayons sont « peignés », c'est-à-dire polarisés.

Au centre de la lointaine galaxie MCG-6-30-15 se trouve un trou noir supermassif. Autour de lui tourne un disque de gaz incandescent, et au-dessus du disque flotte un nuage de particules encore plus chaudes — la couronne. En février 2024, trois télescopes à rayons X — XRISM, NuSTAR et XMM-Newton — ont observé ce système simultanément.

Le centre de notre Galaxie est une cuisine bondée où plusieurs plats mijotent en même temps, et la vapeur se mêle en un seul nuage. Les rayons X du rémanent d'une étoile explosée, du vent stellaire autour du trou noir supermassif et du gaz chaud entre les étoiles se superposent.

Le trou noir MAXI J1810-222 se comporte comme un aspirateur géant, mais avec un clapet anti-retour : il aspire la matière, et une partie est rejetée dans l'espace. Ce « flux inverse » — le vent stellaire — avait déjà été repéré par les astronomes, mais ils ne le voyaient que comme une tache floue en rayons X.

Au centre de la Voie lactée, parmi les nuages denses de gaz et de poussière, se trouve une région appelée Sagittaire C. Elle ressemble à un carrefour animé : des étoiles y naissent, des flux de matière s'y heurtent, et tout cela est éclairé par des rayons X. Pendant longtemps, cette lueur est restée une énigme.

Dans le système binaire 4U 1700-37, l'étoile supergéante massive HD 153919 perd de la matière via un puissant vent stellaire. Ce vent, tel un flux invisible, se précipite vers le compagnon compact — probablement une étoile à neutrons. En tombant, la matière s'échauffe à des millions de degrés et s'embrase dans le domaine des rayons X.

Lorsqu'une étoile à neutrons émet un sursaut de rayons X, son atmosphère s'échauffe à des millions de degrés. La lumière que nous captons avec nos télescopes traverse cette couche de gaz dense — et en chemin, elle est fortement modifiée. Le spectre n'est plus celui d'un four idéal : certaines couleurs s'intensifient, d'autres s'éteignent.

Un télescope à rayons X en orbite a enregistré pendant des années la lueur des systèmes binaires où une étoile ordinaire tourne autour d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons. La matière de l'étoile compagne tombe sur l'objet compact, s'échauffe à des millions de degrés et émet des rayons X.