RAYONNEMENT COSMIQUERayons X cosmiques

L'astronomie galactique

Le premier catalogue de sources X a été établi grâce aux détecteurs placés à bord du satellite américain Uhuru, sensibles dans le domaine d'énergie s'étendant de 2 à 20 kiloélectronvolts.

Mis en orbite en 1970, ce satellite a permis de localiser plusieurs centaines de sources X et d’élaborer le catalogue 4U (4th Uhuru Catalog). La figure 2 montre la répartition dans le ciel des plus brillantes des 339 sources de ce catalogue historique. Les sources les plus intenses sont concentrées autour de la trace du plan galactique dans le ciel, indiquant que la plupart d'entre elles appartiennent à notre Galaxie.

Sources de rayons X

Carte des sources de rayons X du catalogue 4U, représentée en coordonnées galactiques. La dimension du point représentant la source X est proportionnelle au logarithme de l'intensité maximale de la source (d'après W. Forman & al., « The Fourth Uhuru Catalog of X-ray sources »,... 

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Les sources les plus éloignées connues sont des quasars, ce qui les classe parmi les objets les plus énergétiques en émission de l'Univers : leur luminosité en rayons X peut atteindre quelque 10⁴¹ watts, soit plus de dix milliards de fois l'énergie que le Soleil émet dans le visible.

Les objets compacts dans les systèmes binaires

La compréhension des mécanismes de production du rayonnement X dans ces sources a progressé grâce à l'étude spectrale du rayonnement émis, à l'enregistrement des variations temporelles du flux pour différentes échelles de temps, et à la localisation précise des sources d'émission.

On a pu ainsi observer pour certaines sources – comme Centaurus X-3 (fig. 3) – des disparitions périodiques. Les périodes mesurées (de l'ordre de quelques jours) ont permis de comprendre que ce phénomène était en fait une éclipse, et que la source X faisait partie d'un système binaire d'étoiles. De plus, pour certaines de ces sources (fig. 4), le rayonnement observé est « pulsé », avec une période de pulsation allant d’une fraction de seconde à plusieurs minutes. Cette caractéristique a conduit à donner le nom de pulsars X à ces sources, par analogie avec les pulsars découverts en radio. On sait que, dans ce dernier cas, l'émission provient d'étoiles à neutrons en rotation sur elles-mêmes. Dans le cas des sources X, le temps d'arrivée des impulsions est modulé, et cette modulation est attribuée à l'effet Doppler-Fizeau dû au mouvement de la source X sur son orbite.

Source Cen X-3

Mise en évidence du caractère binaire de la source Cen X-3.a) Le temps d'arrivée des impulsions émises à la fréquence de 4,842 2 s est modulé par l'effet Doppler dû au mouvement de la source sur son orbite (période 2,087 07 jours).b) La source X est éclipsée par son compagnon... 

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Sources de rayons X : pulsations

Profil des pulsations de neuf sources de rayons X. Le profil est répété deux fois. On peut noter la grande variété des formes observées (d'après S. A. Rappaport & P. C. Joss, « The Masses of neutron stars observational constraints » (Eighth Texas Symposium on Relativistic... 

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Par ailleurs, la localisation précise des sources X a permis d'associer la plupart d'entre elles à des étoiles déjà cataloguées dans le visible.

Ainsi, la compréhension de l'ensemble de ces phénomènes a permis de mettre au point le modèle (schématique) suivant. Le système binaire est composé d'une étoile à neutrons, d'une masse égale à une masse solaire, tournant sur elle-même et en orbite autour d'une étoile plus massive. Le rayonnement X est produit lors de la capture, par l'étoile à neutrons, de la matière éjectée par l'étoile plus massive sous forme de vent stellaire ou par débordement de son lobe de Roche. Cette matière est canalisée par le fort champ magnétique de l'étoile à neutrons jusqu'à la surface de celle-ci, produisant deux zones surbrillantes en rayons X près des pôles magnétiques.

L'existence de forts champs magnétiques (de l'ordre de 10⁸ teslas) à la surface des étoiles à neutrons a été confirmée par l'observation des raies d'émission dites « cyclotrons » dans le spectre de certaines sources X. Dans le cas d'Hercules X-1, par exemple, cette raie est émise à une énergie de 60 kiloélectronvolts. Elle est attribuée à l'émission d'électrons relativistes dans un fort champ magnétique.

Cependant, la majorité de l'émission provenant des sources X a une origine thermique. Elle provient de l'échauffement de la matière capturée lorsque son énergie cinétique provenant de la force d'attraction est transformée en chaleur. Avec un rayon de l'ordre de 10 kilomètres et une masse de l'ordre de 1 masse solaire, une étoile à neutrons a un potentiel gravitationnel si élevé à sa surface que l'équivalent en énergie de 10 p. 100 de la masse capturée peut être libéré par ce processus sous forme de rayonnement (contre 1 p. 100 pour les processus thermonucléaires). On explique ainsi très bien les fortes luminosités observées pour certaines des sources X, ainsi que la forme du spectre du rayonnement.

Enfin, en ayant par ailleurs une estimation de la distance, on peut déterminer les paramètres du système binaire : dimension, masses des étoiles, etc., à partir de l'observation (fig. 5). Pour rendre compte de l'existence de tels systèmes, il a fallu développer des modèles théoriques d'évolution de systèmes binaires d'étoiles, au cours de l [...]

Sources de rayons X : orbites et étoiles

Représentation schématique, à l'échelle, des orbites et des étoiles compagnons de sept sources X. La masse approximative du compagnon est également indiquée (d'après S. A. Rappaport & P. C. Joss, « Binary X-Ray Pulsars », in « X-Ray Astronomy with the Einstein... 

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