Deux formes de rayonnement électromagnétique

Les rayons X, découverts en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen, et les rayons gamma, découverts en 1900 par le physicien et chimiste français Paul Villard, sont les deux domaines du rayonnement électromagnétique du côté des longueurs d’onde les plus courtes, donc des énergies les plus élevées par photon.

La limite entre les deux domaines n’est pas définie de manière très précise car on distingue plutôt les deux types de rayonnement par leur source : les rayons X sont produits par les électrons, alors que les rayons gamma sont produits par les noyaux atomiques (une définition qui n’est pas sans problème en astrophysique puisque l’on ne connaît pas toujours la source). En simplifiant, et de façon un peu arbitraire, disons que la longueur d’onde des rayons X est comprise entre 10 nanomètres (100 angströms) et 0,01 nanomètre (0,1 angström) et la longueur d’onde des rayons gamma inférieure à 0,01 nanomètre.

Le domaine des rayons X est lui-même divisé en deux régions, selon la capacité de pénétration de ses photons. Les rayons X mous, de longueur d’onde entre 10 et 0,1 nanomètre (1 angström), sont facilement absorbés par l’air ou tout autre matériau. Les rayons X durs, entre 0,1 et 0,01 nanomètre, peuvent pénétrer plus profondément la matière puisque leur longueur d’onde est plus petite que la taille d’un atome. Ils ont des propriétés plus similaires aux rayons gamma.

Les détecteurs de rayons X et gamma

Les rayons X et gamma sont absorbés par l’atmosphère et leur observation nécessite des détecteurs placés au-delà de l’atmosphère terrestre. Les rayons X durs et les rayons gamma peuvent être détectés à bord de ballons. Les rayons X mous sont plus facilement absorbés par l’atmosphère et nécessitent une altitude d’observation plus élevée, donc une fusée ou un satellite. Evidemment, les satellites sont la meilleure plate-forme d’observation puisqu’ils permettent d’observer le ciel tout entier et d’accumuler des photons sur des périodes plus longues.

Du fait de leur très petite longueur d’onde, les rayons X et gamma sont absorbés par la matière et ne peuvent donc pas être réfléchis par un miroir de manière traditionnelle. Pour les rayons X mous, la technologie la plus utilisée est celle des miroirs en incidence rasante : si un rayonnement X mou frappe une surface de façon rasante, plutôt que de façon perpendiculaire, la distance apparente entre les atomes devient plus petite et la réflexion sur cette surface est possible. Pour collecter les rayons en un point précis, on peut ainsi utiliser une série de miroirs en forme de paraboloïde emboîtés les uns dans les autres.

Pour les rayons X durs et les rayons gamma, plus énergétiques, d’autres technologies sont nécessaires : collimateurs ou masques codés. Un collimateur est tout simplement un dispositif qui ne laisse passer que les rayons qui nous proviennent d’une direction bien définie, ce qui permet de mesurer l’intensité lumineuse dans cette direction. C’est évidemment un système très limité puisqu’il n’observe qu’un seul point du ciel à la fois et gâche la lumière provenant de toutes les autres directions. Pour ne pas gaspiller de lumière et pour augmenter la finesse des images, on peut utiliser un télescope à masque codé. Un masque codé est une plaque de métal percée de nombreuses ouvertures placée à l’entrée du télescope. Chaque petite ouverture laisse passer les rayons lumineux et le motif mesuré par le détecteur est la superposition de l’image créée par chaque ouverture. On peut ainsi, par des méthodes mathématiques et numériques, reconstruire l’image de l’objet astronomique observé, du moment que la répartition des ouvertures sur la plaque est optimisée dans ce but.

Les observatoires dans les rayons X

L’observation astronomique dans les rayons X commença en 1948 lorsque des astronomes américains lancèrent un détecteur au sommet d’une fusée allemande V2 reconvertie à des fins pacifiques. La première détection d’une source de rayons X autre que le Soleil se produisit en 1962 avec la découverte du rayonnement de Scorpius X-1, le premier exemple de binaire X et la source la plus puissante du ciel en dehors du Soleil (en puissance apparente).

Le premier satellite dédié à l’observation du ciel dans les rayons X fut SAS-1, aussi connu sous le nom d’Uhuru, dont la mission dura entre 1970 et 1973. Le satellite établit un premier catalogue de 339 corps célestes, principalement des étoiles binaires (en particulier Cygnus X-1), des résidus de supernova, des galaxies de Seyfert et des amas de galaxies. Le premier satellite capable de prendre des images, grâce à une résolution angulaire de quelques secondes d’arc, fut l’observatoire Einstein (ou HEAO-2), lancé en 1978 et dont la mission continua jusqu’en 1981. Il permit pour la première fois d’étudier des corps étendus comme par exemple les résidus de supernova ou le gaz chaud qui baigne les galaxies et les amas de galaxies.

Depuis, de nombreux observatoires ont été lancés, avec une sensibilité et résolution angulaire en progression constante, en particulier le satellite européen EXOSAT de 1983 à 1986 et le satellite allemand ROSAT entre 1990 et 1999. Pour les missions toujours opérationnelles, on citera le Chandra X-ray Observatory, l’un de quatre « Grands Observatoires » de la NASA, lancé en 1999, l’observatoire européen XMM-Newton, mis en orbite en 1999, et enfin le petit télescope NuSTAR, lancé en 2012.

Les observatoires dans les rayons gamma

Le premier satellite équipé d’un télescope gamma, Explorer 11, observa le ciel pendant sept mois, en 1961, et captura 22 photons gamma pendant cette période, probablement créés par l’interaction de rayons cosmiques avec le gaz interstellaire. A la fin des années 1960, une famille de satellites militaires appelée Vela fut lancée pour surveiller les essais nucléaires de l’Union Soviétique. Ils mirent en évidence une toute autre source, un nouveau type de processus astrophysique appelé les sursauts gamma et dont la nature (mort d’étoile massive ou fusion de résidus stellaires) ne sera confirmée qu’en 1997 par le satellite italien Beppo-SAX.

La première mission dédiée uniquement à l’astronomie gamma fut le satellite américain SAS-2, qui observa le ciel en 1972 et 1973, découvrit le fond diffus gamma extragalactique et montra que les pulsars du Crabe et des Voiles étaient aussi des sources gamma. Le satellite européen COS-B observa quant à lui le ciel entre 1975 et 1982 et produisit un catalogue de 25 sources gamma et la première carte du disque de la Galaxie dans ce domaine de longueur d’onde.

Ces missions furent suivies par un autre «Grand Observatoire» de la NASA : le Compton Gamma Ray Observatory, équipé de quatre télescopes, qui observa le ciel gamma entre 1991 et 2000. Enfin, plusieurs missions sont toujours en opération : l’observatoire européen INTEGRAL, lancé en 2002, le télescope américain Swift, mis en orbite en 2004, et l’observatoire américain Fermi (anciennement GLAST), mis en orbite en 2008.

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