RAYONNEMENT COSMIQUERayons X cosmiques

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L'astronomie extragalactique

Les galaxies « normales »

Avec l'avènement de véritables observatoires spatiaux d'astronomie X, la cartographie en rayons X des galaxies est devenue possible.

On possède maintenant une connaissance extrêmement détaillée du Grand Nuage de Magellan, galaxie irrégulière satellite de notre propre Galaxie. Une forte concentration de sources X est observée près de la région active 30 Doradus. Le même type d'observation a permis de révéler de très nombreuses sources X dans le Petit Nuage de Magellan.

M 31 est la seule galaxie importante suffisamment proche pour qu'on ait pu y détecter des sources d'une intensité comparable aux sources de notre Galaxie. Un groupe important de sources y est associé avec la partie centrale et la plupart des autres sont situées aux emplacements des bras spiraux. Cette observation confirme la division des sources X en deux grands groupes, comme dans notre Galaxie : d'une part, les sources X associées à des étoiles massives et situées dans les régions de formation d'étoiles (comme les bras spiraux) ; d'autre part, des sources associées à des étoiles plus anciennes, comme celles qui sont contenues dans les amas globulaires.

De nombreuses autres galaxies ont été étudiées en rayons X, mais elles sont trop éloignées pour qu'on puisse les étudier avec autant de détails. Une étude statistique a permis d'établir que la luminosité en rayons X des galaxies normales était bien corrélée avec leur luminosité optique.

Les amas de galaxies

Les amas de galaxies sont de vastes ensembles de quelques dizaines à quelques centaines de galaxies liées par la gravitation.

L'identification de certaines sources X à des amas a très rapidement posé le problème de la nature de cette émission. On savait que certains amas contenaient dans le gaz intergalactique des électrons relativistes, détectés par leur émission synchrotron dans le domaine radio, et certaines théories prévoyaient une production de rayonnement X par interaction de ces électrons relativistes avec les photons du rayonnement cosmologique à 2,7 K. Cependant, l'analyse spectroscopique du rayonnement X détecté permit de découvrir la présence de la raie caractéristique du fer vingt-quatre ou vingt-cinq fois ionisé, vers l'énergie de 6 kiloélectronvolts. Cette émission est la signature de l'existence d'un gaz chaud, à plusieurs dizaines de millions de degrés, très ténu, remplissant l'espace entre les galaxies dans les amas et représentant une masse équivalente à celle des galaxies. L'abondance de fer déduite des mesures X est à peu près la moitié de l'abondance de cet élément au voisinage du Soleil.

La détection d'éléments lourds tels que le fer est la preuve qu'une partie non négligeable de ce matériau a subi un processus de nucléosynthèse et donc provient d'étoiles. Deux théories sont proposées : soit une expulsion violente de ce gaz enrichi de métaux au début de la vie des galaxies lors de la formation de l'amas, soit une perte progressive par un « déshabillage » des galaxies dû à la pression dynamique du gaz primordial dans l'amas.

La morphologie de l'émission X des amas de galaxies se divise en deux catégories. Certains amas, comme les amas de Persée et de Coma, ont une émission uniforme, relativement piquée vers le centre, avec une assez haute température (100 millions de degrés) pour le gaz émissif. Pour d'autres, au contraire, comme l'amas de Virgo, l'émission est plutôt concentrée autour des galaxies de l'amas et se présente sous forme de taches, la température du gaz étant plus faible (de l'ordre de 10 millions de degrés).

L'existence de nombreux cas intermédiaires conduit à penser que ces différences ne refléteraient que différents stades d'évolution.

Les galaxies actives. Les quasars

Les phénomènes qui se produisent dans les noyaux d'objets tels que les galaxies de Seyfert, les lacertides ou les quasars se ressemblent fortement. Les observations dans les domaines radio et optique peuvent être (très schématiquement) expliquées par l'existence d'une forte source centrale entourée de nuages ayant une densité de 109 particules par centimètre cube, et une température de 10 000 degrés, eux-mêmes plongés dans un milieu plus chaud et plus ténu. Or, en rayons X, on a observé que le flux provenant de certains de ces objets pouvait varier en moins d'une journée : cela implique que la dimension de la région dans laquelle se produit le rayonnement est inférieure à 1 jour-lumière.

Les luminosités en rayon [...]

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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 12 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/rayonnement-cosmique-rayons-x-cosmiques/