Le Canada, partenaire dans la construction du futur observatoire spatial à rayons X japonais

Lancement : 2015
État : en phase de développement

De nouveaux yeux dotés de rayons X révèleront les événements les plus cataclysmiques à se produire dans le cosmos

Illustration d'artiste de l'observatoire ASTRO-H

Illustration d'artiste de l'observatoire ASTRO-H. (Source : JAXA)

Imaginez-vous être capable de scruter les recoins les plus profonds de gigantesques trous noirs et les vestiges d'explosions stellaires titanesques. Voilà exactement la mission du satellite ASTRO-H, un imposant télescope spatial à rayons X de nouvelle génération qui est actuellement en cours d'élaboration par l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA) (anglais seulement) en collaboration avec les États-Unis, l'Europe et, désormais, le Canada, par le biais de l'Agence spatiale canadienne (ASC).

L'observatoire ASTRO-H, dont le lancement est prévu pour 2015, sera équipé de cinq télescopes et détecteurs à rayons X spécialisés. Ensemble, ces instruments observeront des sources cosmiques de rayons X à une résolution sans précédent. Grâce à cette grande sensibilité, ASTRO-H explorera les phénomènes les plus énergétiques et les plus mystérieux de l'univers, lesquels impliquent des particules à haute énergie ne pouvant pas être facilement produites dans les laboratoires terrestres.

Une technologie de précision canadienne à bord

Le Canada participe à la conception de l'un des plus importants instruments de l'engin spatial, soit le télescope à rayons X durs. Celui-ci sera déployé à l'extrémité d'un mât de six mètres qui devra posséder la capacité de pivoter et de plier, en raison des vibrations en orbite et des transitions jour-nuit extrêmes que subira l'engin spatial dans son orbite à 550 km de la Terre, où les températures oscillent entre -30 °C et +40 °C.

Reconnaissant l'expertise canadienne en systèmes optiques et de vision spatiaux, la JAXA a approché l'ASC en 2009 pour étudier la possibilité que le Canada fournisse un système de mesure novateur pour le télescope à rayons X durs de la mission. Après la phase de définition conceptuelle de la mission, Neptec Design Group, une entreprise d'Ottawa, en Ontario, s'est vue attribuer un contrat par l'ASC pour la conception du Système canadien de métrologie du satellite ASTRO-H (CAMS). Le CAMS servira à mesurer les déformations du mât avec un degré d'exactitude équivalent à la largeur d'un cheveu humain, ce qui permettra aux opérateurs de la mission de calibrer les données du télescope à rayons X durs et d'améliorer de manière importante les performances de celui-ci.

En échange de cette pièce d'équipement essentielle, le Canada assure la place d'institutions canadiennes au sein du groupe de travail scientifique de la mission, qui comprend des scientifiques de renom provenant de partout sur la planète, en particulier du Japon, des États-Unis et de l'Europe. On offrira aux membres du groupe un accès prioritaire au temps d'observation avec le télescope spatial peu après son lancement pour environ neuf mois. Par la suite, tous les scientifiques, y compris les astronomes canadiens, auront accès aux données recueillies.

L'ASC a sélectionné trois astronomes canadiens pour représenter le Canada au sein du groupe de travail scientifique et appuyer le projet du CAMS :

  • Luigi Gallo, chercheur principal pour le CAMS, Université Saint Mary's;
  • Brian McNamara, Université de Waterloo;
  • Samar Safi-Harb, Université du Manitoba.

Le soutien financier offert par l'ASC permettra à ces scientifiques de poursuivre et d'approfondir leurs recherches en astronomie spatiale dans le cadre de la mission ASTRO-H, ainsi que de participer aux réunions du groupe de travail scientifique international de la mission ASTRO-H au Japon et ailleurs dans le monde.

Illustration du CAMS à bord d'ASTRO-H

Illustration du CAMS à bord d'ASTRO-H. Le CAMS est composé de deux modules (d'environ 15 centimètres cube chacun) comportant des lasers montés sur le satellite et d'un réflecteur prismatique installé à l'extrémité du mât de six mètres de l'observatoire spatial, où se trouvent aussi les capteurs du télescope à rayons X durs. Les modules du CAMS émettent des rayons laser par impulsion rapide vers le réflecteur prismatique qui renvoie le rayon vers les modules, permettant ainsi de calculer les déplacements latéraux à un degré d'exactitude équivalent à la largeur d'un cheveu humain (soit environ 60 micromètres). En comparant les déplacements latéraux mesurés par chaque capteur, il est possible de déterminer la rotation du télescope autour de son axe principal et les données recueillies pendant le temps d'observation peuvent être calibrées à un degré d'exactitude beaucoup plus élevé que si le système de mesure canadien n'était pas en place. (Source : ASC)

Astronomie de pointe : la chasse aux prédateurs cosmiques

ASTRO-H permettra d'examiner attentivement les profondeurs de trous noirs super massifs qui se cachent au cœur des jeunes galaxies éloignées. Les astronomes espèrent pouvoir jeter un coup d'œil pour la première fois au fonctionnement interne du plus gros de ces prédateurs galactiques, lesquels sont des milliards de fois plus massifs que notre soleil.

Au moyen d'ASTRO-H, on cherchera aussi à éclaircir les mystères entourant les vestiges des explosions stellaires, aussi appelées supernovae. Les astronomes croient que tout ce qui se trouve dans le cosmos, même les humains, a été créé à partir d'éléments lourds formés en grande partie à l'intérieur d'anciennes supernovae. Grâce à son incomparable résolution spectrale et à sa capacité de concentrer des rayons X de haute énergie, ASTRO-H permettra d'obtenir les mesures les plus précises jamais obtenues des ingrédients chimiques qui sont à l'origine de ces colossales explosions cosmiques, et il sondera les sites d'accélération des particules à haute énergie.

Selon le chercheur principal du Canada pour la mission ASTRO-H, Luigi Gallo, la mission représente une occasion unique pour le Canada. En effet, ce sera la première fois que le Canada participera à une mission d'astronomie qui permettra d'explorer l'univers invisible à un niveau de détail sans précédent à l'aide des rayons X. En raison de la participation de l'ASC à la mission ASTRO-H, « les scientifiques canadiens ont la chance d'être parmi les premiers à pouvoir utiliser ce télescope astronomique unique », a affirmé Gallo, professeur d'astronomie à l'Université St. Mary's, à Halifax, en Nouvelle-Écosse. « Il ne fait aucun doute que nous ferons des découvertes majeures lorsque le télescope sera fonctionnel dans trois ans. »

M. Gallo utilisera à bon escient le temps d'observation du télescope ASTRO-H qui lui sera alloué pour étudier les fluctuations des rayons X émis par les trous noirs super massifs. On pense que ces fluctuations dans les quantités de rayons X correspondent exactement à la quantité de matière engloutie par les trous noirs : les étoiles, gaz et nuages de poussière avoisinants balayés de la région interne de la galaxie. À mesure que la matière est aspirée par la force gravitationnelle du trou noir, elle est détruite et chauffée à des températures considérables, renvoyant ainsi des rayonnements dans l'espace, lesquels seront détectés par ASTRO-H.

Les astronomes pensent qu'au début de la vie d'une galaxie, un trou noir super massif avale la majorité de la matière qui l'entoure au cœur de la galaxie. L'activité du trou noir diminue lorsqu'il n'y a plus de matière cosmique à happer. Ce vorace prédateur cosmique permet donc à son hôte de devenir une galaxie normale (à l'instar de notre Voie lactée).

ASTRO-H permettra d'observer les régions les plus proches des trous noirs géants, où les émissions de rayons X sont les plus importantes. Ainsi, non seulement les astronomes comprendront mieux la façon dont ces prédateurs cosmiques évoluent, mais aussi la façon dont les galaxies comme la nôtre prennent forme.

Pour sa part, Samar Safi-Harb, de l'Université du Manitoba, se servira d'ASTRO-H pour étudier les phénomènes de haute énergie associés aux explosions d'étoiles massives qui entraînent la formation des objets compacts les plus exotiques de l'univers : les étoiles à neutrons. Ces phénomènes incluent l'accélération des particules des rayons cosmiques à de très hautes énergies, la formation d'éléments lourds essentiels à la vie et la physique des extrêmes liée aux étoiles à neutrons et aux nébuleuses de haute énergie connexes. Ces études pourront être réalisées grâce à différentes caractéristiques d'ASTRO-H, notamment sa capacité de couverture spectroscopique à large bande des rayons X, sa capacité de concentration des rayons X durs et l'incomparable résolution spectrale offerte par son microcalorimètre à rayons X.

Brian McNamara, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Waterloo et président de la chaire de recherche en astrophysique à la même université, utilisera ASTRO-H pour étudier les puissants rejets de trous noirs massifs situés au centre de noyaux galactiques. L'énergie libérée par la matière aspirée dans les trous noirs super massifs aussi denses qu'un milliard de soleils équivaut à l'énergie mécanique libérée par l'explosion de dix milliards de supernovae. Cette énergie provoque le rejet de gaz chimiquement enrichi à des centaines de milliers d'années-lumière dans l'espace. ASTRO-H mesurera la masse et la vitesse du gaz rejeté, permettant ainsi à l'équipe de M. McNamara de déterminer la vitesse de croissance des trous noirs super massifs. Les mesures aideront aussi à comprendre la nature des mystérieux « jets radios » extragalactiques, des torrents de particules s'échappant du centre des galaxies à une vitesse proche de celle de la lumière. ASTRO-H nous permettra d'approfondir nos connaissances en ce qui concerne la rétroaction énergétique des trous noirs super massifs, un domaine dans lequel Brian McNamara est un expert reconnu.