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Posté par Adrien le Vendredi 19/10/2012 à 12:00
INTEGRAL a dix ans: ses plus grandes découvertes
Jeudi 17 octobre 2002: 6h 41, à Paris, 9h41 à Baïkonour, Kazakhstan. Une fusée russe Proton décolle dans un nuage de fumée et s'élève droite comme un " I " dans le ciel clair. Elle emporte le satellite INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory). Ce satellite (Satellite peut faire référence à :) de l'Agence Spatiale Européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le 31 mai 1975. Elle est chargée de la...) fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de...) d'une collaboration Europe-Russie-USA est dédié à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) des rayons gamma de basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) qui ne peut se faire que depuis l'espace. INTEGRAL emporte deux gros instruments et les espoirs de leurs concepteurs. Dix ans plus tard, le satellite et ses instruments, conçus pour durer 5 ans, fonctionnent parfaitement.

A l'occasion de cet anniversaire, un colloque international réunissant 200 participants se tient à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les...) du 15 au 19 octobre à la bibliothèque François Mitterrand pour présenter les derniers résultats scientifiques d'INTEGRAL. Une exposition à la mairie du 13ème arrondissement et une conférence (le 18) sont en outre ouvertes au public.

Des résultats scientifiques considérables

En détectant pour la première fois la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...) du rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple : radioactivité α)....) gamma de certaines sources, notamment d'un sursaut gamma (Les sursauts gamma (en anglais, gamma-ray bursts, abrégé en GRB) sont des bouffées de photons gamma qui apparaissent aléatoirement dans le ciel. Ils sont situés à de très grandes distances de la Terre, et...), INTEGRAL a provoqué un bond en avant dans notre connaissance de ces objets.

La carte des positrons (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour...) de la Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la galaxie dans...) a été dressée avec une précision unique grâce à la détection du rayonnement spécifique émis lorsque que ces particules d'antimatière (Il s'agit ici d'une approche plus "philosophique" sur les questions posées par l'antimatière, ou sur ses applications humaines. Pour une approche plus technique sur la...) s'annihilent à la rencontre de leurs particules de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) correspondantes, les électrons.

La France, à travers le CNES, le CEA et le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), a joué un rôle de premier plan dans cette mission en contribuant très fortement au développement des deux instruments principaux IBIS et SPI. Elle continue à jouer un rôle capital en assurant la calibration en vol des instruments assurée par l'APC et l'IRAP, fournissant ainsi à la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) mondiale des tables et des logiciels indispensables pour extraire le meilleur des observations d'INTEGRAL.

L'instrument IBIS

L'instrument à masque codé IBIS utilise la caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) ISGRI comme détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la...) de basse énergie. Celle-ci, la première de son genre sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et...) et dans l'espace, comporte 16384 détecteurs gamma fonctionnant à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) ambiante. Elle a été conçue et développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales...) au CEA/IRFU (ex DAPNIA) avec le soutien du CNES.


Représentation en coordonnées Galactiques des sources figurant dans le troisième catalogue d'IBIS/ISGRI. La couleur d'une source représente l'énergie moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) des photons détectés par ISGRI en provenance de celle-ci. Plus l'énergie est élevée, plus la source est bleue, plus l'énergie est faible, plus la source est rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.).

Les qualités d'IBIS en tant que spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en...) et imageur et la durée de la mission ont permis la détection de près d'un millier de sources célestes et la localisation de 89 sursauts gamma là où la précédente mission franco-russe GRANAT n'avait détecté qu'une trentaine de sources et aucun sursaut gamma dans son champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.). "Grâce à ces résultats on sait aujourd'hui que l'émission gamma de basse énergie de notre Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.) est essentiellement due à des objets compacts (trous noirs et étoiles à neutrons) accrétant de la matière d'un compagnon stellaire" précise François Lebrun, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les...) à l'APC et co-PI d'IBIS.


La région du centre Galactique telle qu'observée par GRANAT/SIGMA (à gauche) et INTEGRAL/IBIS/ISGRI (à droite). Dans l'image de gauche, la couleur représente l'intensité de la source, dans celle de droite, elle représente l'énergie moyenne des photons détectés en provenance de la source. Dans l'image de droite, plus la source est intense plus la couleur pâlit (tend vers le blanc) et plus elle est grosse.

IBIS/ISGRI a aussi pu montrer que le trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception notable de...) de 4 millions de masses solaires qui siège au centre de notre Galaxie est aujourd'hui beaucoup plus calme que la plupart de ses homologues. Cela n'a pas toujours été le cas. En observant la variation de l'émission des nuages entourant le centre Galactique avec IBIS/ISGRI, on a pu montrer que celle-ci était l'écho d'un fort sursaut d'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) du noyau Galactique qui se serait produit quelques centaines d'années plus tôt.

Les résultats d'IBIS ne s'arrêtent pas à l'astrophysique (L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (étoiles,...), ils touchent aussi la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.). Certaines théories de la gravité quantique (La gravité quantique est la branche de la physique théorique tentant d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale.) prédisent un changement de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de polarisation des photons pendant leur transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de...) sur de longues distances et que ce changement dépend de l'énergie. En mesurant à diverses énergies la polarisation de l'émission d'un sursaut gamma distant de 300 millions d'années-lumière, IBIS a permis de fortement contraindre la granularité de l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de l'espace et du temps telle qu'elle avait été définie par la théorie de la relativité restreinte d'Albert...).

L'instrument SPI

SPI est un spectromètre à base de détecteurs en Germanium. Avec sa précision dans l'analyse spectrale (L'analyse spectrale est une méthode utilisée en physique pour déterminer les caractéristiques d'un phénomène observé. L'intensité du phénomène en fonction du temps constitue un signal, et ce signal est traité par les mathématiques...), il reste, après 10 ans de fonctionnement à -190°, l'instrument le plus performant dans ce domaine. Ceci est notamment le fruit d'un processus inédit de restauration périodique des performances des détecteurs endommagés par des impacts de particules par chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) à 100° ("annealing" en anglais). SPI est une réalisation du CNES et de l'IRAP, en collaboration avec le Max Planck Institute en Allemagne.

Elisabeth Jourdain (Le Jourdain (de l'hébreu נהר הירדן, Nehar haYarden qui veut dire la Rivière de la Peine, du Jugement, mais aussi descendre) est...), astrophysicienne à l'IRAP, laboratoire où travaille également le PI de SPI (Jean-Pierre Roques), rappelle quelques résultats scientifiques marquants de SPI:

Carte des positrons de la Voie Lactée: les photons de 511 keV sont les témoins d'un phénomène physique peu ordinaire: ils sont émis lors de la rencontre de positrons (particule d'antimatière) avec des électrons (plus ordinaires). Cette émission représente donc le lien le plus direct pour comprendre le rôle de l'antimatière dans l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) de maintenant. Sa distribution dans l'espace est une question clé, et SPI est le seul instrument capable d'apporter des éléments de réponse concrets.

L'analyse des six premières années d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) a montré que cette émission est concentrée dans les régions centrales de notre Galaxie, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque...) un "bulge" d'environ 10°. Il pourrait être légèrement décalé par rapport au Centre Galactique, mais cela reste à confirmer. Par ailleurs, le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet —...) Galactique lui aussi contient une population de positrons, plus faible, mais qui apparaît lorsque l'on augmente le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'observation. L'origine de ces particules reste mystérieuse. Une matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses ont été...) légère a été suggérée pour expliquer leur création mais d'autres scénarios restent possibles.

La longévité (La longévité d'un être vivant est la durée de vie pour laquelle il est biologiquement programmé, dans des conditions idéales et en l'absence de maladie ou d'accident. Elle correspond à...) exceptionnelle de l'instrument laisse augurer des résultats de plus en plus précis sur la morphologie de cette émission, par l'accumulation de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) sur plus de 10 ans.


Spectre en énergie de l'émission de notre Galaxie, avec ses différentes composantes (émission diffuse, émission dans les raies à 511 keV, de l'aluminium et du fer)
Distribution des sites de nucléosynthèse: une des grandes questions de l'astrophysique concerne la nucléosynthèse. Où et comment se forment les éléments "lourds", tels que le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer pur...) ou l'aluminium ? "En localisant l'émission gamma produite lors de leur production par réactions nucléaires, INTEGRAL a permis de mieux comprendre le rôle de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les...) et les conditions de cette production" se félicite Olivier La Marle.

Dans le domaine en énergie couvert par SPI, les sites de production des éléments lourds sont identifiables, grâce aux photons émis au cours de ce processus. Ils ont en effet des énergies très spécifiques, liées à la désintégration de noyaux radioactifs. Par exemple, la production d'Aluminium s'accompagne de l'émission d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) à 1,809 MeV et celle du Fer de deux photons à 1,173 et 1,332 MeV. Là aussi, l'identification des régions de production est une information importante.

Ainsi, on sait maintenant que ces émissions, et donc la production des éléments lourds, sont associées aux étoiles massives. Certaines régions sont des sites de production particulièrement efficaces (Cygnus, Sco-Cen, Carina), et en les étudiant, nous pouvons mieux cerner le rôle de l'environnement et les paramètres des mécanismes qui produisent les explosions durant lesquels se forment ces éléments.

Emission diffuse: le plan Galactique est connu pour être une source intense d'émission continue de rayons X durs et de rayons gamma. L'analyse des données SPI permet de différencier les différentes composantes de l'émission "diffuse" qui résulte de la superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de mouvement etc.)) de plusieurs processus physiques: radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple : radioactivité...) d'annihilation, raies nucléaires, continuum diffus dû à l'émission interstellaire et à des sources non résolues.

Profitant de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de données, il a été possible de mesurer la distribution spatiale ainsi que le spectre de cette émission diffuse, venant de notre Galaxie, entre 20 keV et 2,2 MeV. Cette composante a ensuite pu être modélisée et attribuée aux électrons relativistes (GeV) du rayonnement cosmique qui interagissent avec les photons (essentiellement micro-onde) du milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est...). Ce résultat illustre le potentiel des données SPI pour déterminer la distribution des électrons du rayonnement cosmique interstellaire.


Carte de l'émission à 511 keV produite par l'annihilation électrons-positrons

Emission haute énergie des binaires X: les spectres des sources émettant en X/gamma sont d'autant plus difficiles à mesurer qu'ils sont observés à haute énergie. Grâce à sa sensibilité, SPI détecte des photons jusqu'à plusieurs centaines de keV, voire quelques MeV, pour les objets les plus brillants. Des mécanismes d'émission que les autres instruments ne peuvent observer sont ainsi accessibles. Par exemple, les couronnes de plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui...) chaud souvent associée aux régions centrales se manifestent par une émission de type "non-thermique", créée par les électrons relativistes ou quasi relativistes, qui perdent leur énergie soit en la transférant par collisions aux photons ambiants émis par le disque (effet Compton Inverse), soit par perte synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.), si un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) suffisant existe. Les observations permettent de déterminer les mécanismes d'émission mis en jeu, de tester les différents scénarios, et d'en déduire les grandeurs caractéristiques de certains paramètres macroscopiques ou géométriques. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) ceci permettra de comprendre comment ces sources transforment l'énergie libérée par l'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) de matière en photons de si haute énergie.

Polarisation: c'est un résultat qui restera comme l'un des plus importants dans la physique des hautes énergies. En effet, les données SPI, à travers une procédure d'analyse très poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de...), ont mesuré, pour la première fois dans cette gamme d'énergie, la polarisation de l'émission observée dans trois objets, emblématiques de trois grandes familles d'objets compacts de notre Galaxie. Tout d'abord, dans un sursaut gamma GRB041219A et dans le pulsar (Un pulsar, dont le nom provient de l'abréviation de pulsating radio source (source radio pulsante), est le nom donné à une étoile à neutrons tournant très rapidement...) du Crabe. Ces deux résultats ont été confirmés peu après par l'analyse des données de l'instrument IBIS. Plus récemment, cumulant plus de six ans de données, IBIS a mesuré un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour communiquer entre...) polarisé dans la binaire X, Cyg X-1. L'analyse des données SPI a confirmé la présence d'une émission très fortement polarisée, et la valeur de l'angle de polarisation mentionnée par IBIS a pu être corrigée.


Spectre observé pour le candidat trou noir Cyg X-1, avec ses deux composantes. On associe la polarisation mesurée a la seconde (celle à plus haute energie).
La polarisation des photons est la signature du mécanisme et des conditions d'émission. Ces mesures sont une avancée marquante dans notre connaissance des mécanismes de production des photons haute énergie dans les objets compacts. En effet, pour la binaire X Cyg X-1, elles suggèrent très fortement que c'est le jet, vu en radio, qui rayonne par effet synchrotron jusque dans le domaine X/gamma.

Outre les contraintes sur l'intensité du champ magnétique et l'énergie des électrons émetteurs, la mise en évidence d'une contribution majeure du jet dans l'émission haute énergie des binaires X modifie complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la...) l'idée que nous nous faisions de ces objets. Elle remet en question le scénario habituel d'un disque + couronne généralement admis pour interpréter les observations.

La détermination des caractéristiques précises de cette composante et sa recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) dans d'autres objets seront des objectifs prioritaires pour les années qui viennent et surtout pour les futures missions dans l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue...) X/gamma.

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Source: CNES