L'univers à travers les yeux aux rayons X



Belinda J. Wilkes est astrophysicienne principale à l’observatoire d’astrophysique Smithsonian et directrice du centre de rayons X Chandra, toutes deux situées à Cambridge, dans le Massachusetts.

En bref

  • Cette année marque le vingtième anniversaire de l’Observatoire à rayons X Chandra de la NASA, qui gravite autour de la Terre depuis son lancement en 1999.
  • Le télescope a fait des découvertes majeures sur les trous noirs supermassifs, les restes d’explosions de supernova, et plus encore.
  • À l'aube de sa troisième décennie, Chandra continue d'être productive. Les collaborations prévues avec des observatoires nouveaux et existants élargiront davantage notre connaissance de l'univers.

Depuis son lancement en 1999, l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA étudie le ciel à travers une lumière à rayons X à longueur d’onde courte, la meilleure fenêtre pour repérer des trous noirs colossaux, des amas de galaxies et les vestiges de supernovae violente. Le télescope capture la position, l'énergie et l'heure d'arrivée de chaque photon à rayons X qui atteint son détecteur. Cette capacité, combinée à sa qualité d’image exceptionnelle et à sa capacité à voir les rayons X sur une large gamme d’énergies, a révolutionné notre vision de l’univers des rayons X. Cela a changé notre compréhension des grands mystères tels que la matière noire, la naissance des étoiles et même les propriétés des planètes de notre système solaire.

Chandra a été conçu pour résoudre une question clé en astronomie à rayons X: quelle est la composition de la lumière diffuse à rayons X qui semble être présente dans toutes les directions du cosmos – le fond appelé rayons X? Il a également été conçu pour être un "observatoire général", la majeure partie du temps passé dans le télescope étant attribuée à des scientifiques du monde entier travaillant sur divers projets, choisis après un appel à propositions annuel. Même après deux décennies d’exploitation, Chandra reçoit environ 500 à 650 propositions chaque année, ce qui représente environ 5,5 fois plus de temps d’observation que ce que nous devons accorder – le processus est très concurrentiel.

DÉCOLLAGE! Chandra a décollé au sommet de la navette spatiale Columbia Tôt dans la matinée du 23 juillet 1999, j'étais à Cape Canaveral, en Floride, et la vue était spectaculaire – éclairant le ciel pendant une minute ou plus et agitant le sol sous mes pieds. Il me restait un sentiment de crainte et d'émerveillement devant le pouvoir nécessaire pour s'échapper de la Terre et le fait que l'humanité puisse le faire. Crédit: NASA

Chandra a été extraordinairement productif. Il a atteint son objectif initial en révélant que la quasi-totalité de la mystérieuse lumière de fond aux rayons X provient de milliers de trous noirs supermassifs individuels situés au centre des autres galaxies. Il a également révélé de nouveaux secrets à partir d'une multitude d'objets célestes: une forte émission de rayons X à partir de jets de matériau sortant de trous noirs supermassifs en train de dévorer de la matière; aurores brillantes dans l'atmosphère autour de Jupiter; la lumière des étoiles à neutrons en collision qui ont également été détectées par des ondes gravitationnelles; et des trous noirs extrêmement brillants de la taille d’une étoile, nommés à l’origine des sources de rayons X ultralumineuses. Les articles scientifiques basés sur les observations de Chandra comptent plus de 8 000 personnes et notre communauté d'utilisateurs compte plus de 4 000 scientifiques dans le monde.

J'ai rejoint la mission trois ans avant le lancement en tant que chef de groupe adjoint du support utilisateur. J'ai participé à la création du site Web et des documents destinés à fournir des informations à nos utilisateurs scientifiques, au premier appel à propositions et à l'examen par les pairs, ainsi qu'à l'étalonnage du télescope lors de son lancement au Marshall Space Flight Center de la NASA, en Alabama. Bien que cette période ait été chargée et stressante, nous avons tout préparé pour le décollage, mais ce n’était rien comparé aux premiers mois qui ont suivi le lancement.

Chandra a 20 ans et l'observatoire est toujours aussi performant. Je suis directeur du Chandra X-ray Center de Cambridge, dans le Massachusetts, où nous gérons les opérations du télescope. Avec la mise en ligne actuelle et future de télescopes, tels que le télescope Event Horizon, le télescope spatial James Webb, et bien d’autres encore, nous espérons que Chandra continuera de se forger de nouveaux horizons et d’élargir notre connaissance des lieux les plus chauds et les plus violents de la planète. univers pour les années à venir.

  • Spirils tourbillonnants
    Deux galaxies qui se confondent, appelées collectivement M51, ou le tourbillon, montrent les beaux bras caractéristiques des galaxies spirales. Environ 400 sources de rayons X, la plupart d’entre elles des étoiles binaires, sont visibles ici, principalement à proximité de régions de formation d’étoiles. Les scientifiques spéculent que l'interaction entre les deux galaxies déclenche une vague de formation d'étoiles qui entraîne le grand nombre de binaires à rayons X dans ce système. Les pulsations d'un binaire à rayons X impliquent que le compagnon compact est une étoile à neutrons qui doit accumuler d'énormes quantités de matériau de son compagnon pour générer sa luminosité exceptionnellement élevée.
    Rayons X: NASA, CXC, WESLEYAN UNIV. ET R. KILGARD ET AL .; OPTIQUE: NASA ET STSCI

  • Jet de vol
    Au début de son mandat, Chandra a observé le quasar PKS 0637-752, un trou noir supermassif situé dans le noyau d’une galaxie lointaine et que j’avais étudié 10 ans auparavant, à partir des données de l’observatoire Einstein de la NASA. Le trou noir aspire des quantités massives de matériaux de la galaxie hôte. Lorsque le matériau tombe, il devient tellement chaud qu'il dépasse les 100 milliards d'étoiles de la galaxie.
    La lumière étendue du côté ouest (main droite) était une surprise et initialement, le personnel de Chandra craignait que quelque chose n'allait pas avec l'optique du télescope. Au lieu de cela, Chandra avait découvert l'émission de rayons X d'un jet de plasma sortant de la matière infernale. Ce jet avait déjà été aperçu à la lumière d'une radio, mais les rayons X étaient inattendus. La capacité de Chandra à voir également le jet a entraîné des avancées majeures dans notre compréhension des jets émanant des pôles de trous noirs supermassifs.
    NASA, CXC ET SAO

  • Pistolet fumant
    Parmi les résultats les plus célèbres de Chandra, il y a cette image composite du cluster Bullet, un empilement de deux amas de galaxies qui se fracassent. La photo combine des données de Chandra, Magellan et du télescope spatial Hubble. Ici le gaz chaud apparaît dans la lumière des rayons X (montré en rose), alors que les galaxies sont visibles à la lumière visible (blanc) de Magellan. Les scientifiques déduisent de l’image de lumière visible la répartition de la matière noire (bleu) de la distorsion des images de la galaxie causée par la gravité (un processus appelé lentille gravitationnelle).
    La séparation entre le gaz chaud et la matière noire a fourni la première preuve directe de la présence de matière noire. Cela démontre que cette matière mystérieuse n'interagit pas avec la matière elle-même ni avec la matière ordinaire, car elle se déplace avec les galaxies sans "voir" les autres matières qui l'entourent. En revanche, le gaz chaud interagit et ralentit, formant la forme de la balle qui donne son nom aux grappes combinées.
    RAYONS X: NASA, CXC, CFA ET M. MARKEVITCH ET AL .; OPTIQUE: NASA, STSCI, MAGELLAN, UNIV. ARIZONA ET D. CLOWE ET AL .; LENSING MAP: NASA, STSCI, ESO WFI, MAGELLAN, UNIV. ARIZONA ET D. CLOWE ET AL.

  • Plus proche de la maison
    En plus de découvrir des trous noirs supermassifs lointains et des amas de galaxies, Chandra a fait d’étonnantes découvertes au sein de notre système solaire. Ces images de Jupiter montrent l’émission de rayons X par l’aurore au pôle nord de la planète, une caractéristique unique parmi les mondes de notre système solaire. On pense que les rayons X, également émis par les aurores au pôle sud, sont générés lorsque des champs magnétiques entraînent des particules provenant de l'anneau équatorial autour de Jupiter. Les observations de Chandra en 2019, coordonnées avec le satellite Juno de la NASA, actuellement en orbite autour de Jupiter, devraient fournir des informations détaillées sur ce processus. En tant que directeur, j'ai pu faciliter certaines de ces observations en allouant du temps discrétionnaire au directeur pour cette étude.
    RAYONS X: NASA, CXC, UCL ET W. DUNN ET AL .; OPTIQUE: PÔLE SUD: NASA, JPL-CALTECH, SwRI, MSSS, GERALD EICHSTÄDT ET SEÁN DORAN; POTEAU NORD: NASA, JPL-CALTECH, SwRI ET MSSS

  • Bébé étoiles
    Plus de 1 400 points de lumière bleus et oranges sont des étoiles nouvellement formées dans cette nébuleuse dense visible à l'œil nu au milieu du glaive de la constellation d'Orion. La vision de Chandra aux rayons X pénètre dans le gaz dense et la poussière, révélant ainsi les nouvelles étoiles cachées des télescopes traditionnels à lumière visible. Les jeunes étoiles sont chaudes et violentes car la gravité attire la matière, les champs magnétiques l'accélèrent et les vents la soufflent à nouveau lorsqu'une étoile se forme et commence à briller.
    RAYONS X: NASA, CXC, UNIV. ÉTAT PENN, ET E. FEIGELSON ET K. GETMAN ET AL .; OPTIQUE: NASA, ESA, STSCI ET M. ROBBERTO ET AL.

  • Première lumière
    La première image lumineuse officielle de Chandra, du légendaire Cassiopeia A, le reste de la supernova, a immédiatement démontré la puissance de la haute résolution spatiale du télescope en découvrant l'étoile à neutrons tant recherchée au centre de cette nébuleuse. L'étoile à neutrons dense, vestige de l'étoile beaucoup plus grande qui a explosé il y a environ 340 ans sous la forme d'une supernova, n'avait jamais été visible auparavant. Cette image combine les données de Chandra prises sur plusieurs années, augmentant ainsi les détails visibles de la structure complexe. Il utilise également la résolution énergétique de l'observatoire pour révéler différents éléments chimiques créés dans l'étoile et éteints par l'explosion: la couleur rouge indique le silicium, le jaune le soufre, le vert le calcium et le fer violet. L'anneau externe bleuâtre de l'image est une émission de particules de haute énergie accélérées par l'onde de choc avant de l'explosion – un autre aspect découvert pour la première fois par Chandra.
    NASA, CXC ET SAO

  • Oeil de chat
    La nébuleuse planétaire NGC 6543 ressemble à l’œil d’un chat. Ici, une étoile plus âgée est devenue un géant rouge et a perdu ses couches extérieures en nuages ​​bouffants et colorés. Le noyau chaud laissé derrière s’effondrera pour former un nain blanc dense. Les régions centrales de la nébuleuse sont remplies de gaz de plusieurs millions de degrés observé par Chandra (bleu). Pendant ce temps, un vent rapide émanant du noyau pousse le matériau éjecté vers l’extérieur, créant les gracieuses structures filamenteuses illustrées dans les données optiques (rouge, et violet) par des télescopes tels que Hubble. L'observation a révélé que les couches en recul de l'étoile s'envolaient à quatre millions de miles par heure.
    RAYONS X: NASA, CXC ET SAO; OPTIQUE: NASA ET STSCI

  • Nébuleuse de Flamme
    Le groupe d'étoiles NGC 2024, enfoui à l'intérieur de la nébuleuse de la Flamme à environ 1 400 années-lumière de la Terre, montre un nuage géant de gaz et de poussière où naissent les étoiles. Sur cette photo, les rayons X de Chandra (violet) se combinent aux données infrarouges du télescope spatial Spitzer de la NASA (rouge vert et bleu) pour révéler que les jeunes étoiles chaudes se trouvent dans le centre et les étoiles plus anciennes à la périphérie.
    RAYONS X: NASA, CXC, PSU ET K.GETMAN, E.FEIGELSON, M.KUHN ET L’ÉQUIPE MYStIX; INFRARED: NASA ET JPL-CALTECH

  • Supernova de Tycho
    Après qu'une grosse étoile ait manqué de carburant et explosé, cet objet, le reste de la supernova de Tycho, est né. Sur cette photo de Chandra, rayons X à basse énergie (rouge) représentent des débris en expansion provenant de la supernova. Et rayons X de haute énergie (bleu) montre l'onde de choc, c'est-à-dire un front d'électrons extrêmement énergétiques qui volent vers l'extérieur.
    Rayons X: NASA, CXC, RUTGERS UNIVERSITY ET K. ERIKSEN ET AL .; OPTIQUE: DSS