RAYONNEMENT COSMIQUERayons X cosmiques

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Évolution des techniques de détection

Les premières observations astronomiques dans le domaine des rayons X ont été réalisées avec des télescopes extrêmement sommaires. Ces instruments comprenaient un détecteur de photons, du type compteur proportionnel, permettant de mesurer l'énergie de chaque photon détecté avec une précision relative de l'ordre de 20 à 40 p. 100. L'effet directionnel indispensable à toute étude astronomique était assuré par un collimateur mécanique constitué de grilles, plaques ou tubes dont l'agencement délimitait la portion du ciel à observer. La résolution angulaire obtenue était de l'ordre du degré (fig. 1a).

Détection des rayons X

Dessin : Détection des rayons X

La détection des rayons X. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le caractère exceptionnel et inattendu des premiers résultats n'a pas empêché les expérimentateurs de prendre conscience de la médiocrité des résolutions spectrale et angulaire de ces télescopes et les a incités à développer de meilleurs instruments.

Les progrès réalisés varient avec la gamme d'énergie considérée.

Détection à basse énergie (E < 5 keV)

Dans le domaine des basses énergies (inférieures à 5 kiloélectronvolts ; symbole : keV), l'amélioration de la résolution angulaire a été spectaculaire grâce à l'emploi de véritables optiques comportant des miroirs paraboliques et hyperboliques (fig. 1b). Ces miroirs utilisent la propriété de tous les matériaux d'avoir, pour les rayons X, un indice de réfraction très légèrement inférieur à l'unité. Cela signifie que, pour des incidences très rasantes, les photons X subissent une réflexion totale. L'angle critique est de l'ordre de 1 degré aux environs de 1 kiloélectronvolt, et il décroît très rapidement lorsque l'énergie augmente. Cela explique qu'en pratique les optiques en rayons X ne sont efficaces qu'à très basse énergie. À titre d'exemple, citons le télescope de l'observatoire Einstein (H.E.A.O.-2), dont le diamètre était égal à 60 centimètres et la distance focale à 3,5 mètres. La surface collectrice était de 800 centimètres carrés et la résolution angulaire de quelques secondes. Le satellite européen Exosat (European X-Ray Observatory Satellite, 1983-1986) était équipé de deux télescopes de ce type, cependant un peu plus petits. Le satellite allemand Rosat (Röntgen Satellite, 1990-1999), avec son optique également à incidence rasante et son détecteur imageur, a mis en évidence plus de 50 000 sources X.

Détection des rayons X

Dessin : Détection des rayons X

La détection des rayons X. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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On peut placer au foyer de ces télescopes divers instruments adaptés au type d'observation réalisé (fig. 1c). Pour les observations demandant une bonne résolution angulaire, on utilise des détecteurs sensibles à la position, c'est-à-dire qui permettent de déterminer les coordonnées du lieu d'impact de chaque photon X détecté. Ces détecteurs ont une résolution spectrale faible (de l'ordre de 30 à 50 p. 100 pour les compteurs proportionnels) ou nulle (pour les galettes de microcanaux). Pour les analyses spectrales, on utilise des détecteurs semiconducteurs à basse température, des spectromètres de Bragg, des réseaux de diffraction par transmission.

Détection des rayons X

Dessin : Détection des rayons X

La détection des rayons X. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les réseaux de diffraction par transmission fonctionnent comme les objectifs utilisés dans le domaine visible et sont constitués d'une grille en matière opaque aux rayons X. Ce réseau, placé à la sortie du télescope, donne dans le plan focal un spectre de chacune des sources contenues dans le champ.

Domaine des énergies élevées (de 5 à 100 keV)

Dans ce domaine, la réflexion totale en incidence rasante est, nous l'avons vu, inutilisable. Il a donc fallu trouver d'autres techniques, qui dérivent toutes du télescope primitif.

Le premier progrès a été l'utilisation du collimateur à modulation (fig. 1d). Ce collimateur est constitué de deux nappes de fils parallèles régulièrement espacés. Le déplacement d'une source dans le champ du télescope produit une modulation du flux transmis par le collimateur et perçu par le détecteur. Cette technique permet de sélectionner plusieurs régions du ciel pouvant contenir la source responsable de la modulation, mais ne permet pas de définir laquelle contient effectivement la source. Pour éliminer cette ambiguïté, on utilise un second télescope comportant un collimateur à modulation avec un pas (espace entre fils) différent. On obtient ainsi une sorte de vernier qui permet de déterminer la position de la source observée avec une précision de l'ordre de la minute d'angle. Ce type de télescope est utilisé de deux façons : en mode de « balayage » (rotation autour d'un axe parallèle aux fils) ou en mode de « rotation » (rotation autour [...]

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La détection des rayons X. 

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Détection des rayons X

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Sources de rayons X

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Source Cen X-3

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  • : physicienne au service d'astrophysique du Commissariat à l'énergie atomique, Saclay
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Pour citer l’article

Monique ARNAUD, Robert ROCCHIA, Robert ROTHENFLUG, « RAYONNEMENT COSMIQUE - Rayons X cosmiques », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 22 juin 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/rayonnement-cosmique-rayons-x-cosmiques/