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 de l'Agence Spatiale Européenne fruit d'une collaboration Europe-Russie-USA est dédié à l'observation des rayons gamma de basse énergie 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 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 du rayonnement gamma de certaines sources, notamment d'un sursaut gamma, INTEGRAL a provoqué un bond en avant dans notre connaissance de ces objets.

La carte des positrons de la Voie Lactée a été dressée avec une précision unique grâce à la détection du rayonnement spécifique émis lorsque que ces particules d'antimatière s'annihilent à la rencontre de leurs particules de matière correspondantes, les électrons.

La France, à travers le CNES, le CEA et le CNRS, 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 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 ISGRI comme détecteur de basse énergie. Celle-ci, la première de son genre sur terre et dans l'espace, comporte 16384 détecteurs gamma fonctionnant à température ambiante. Elle a été conçue et développée au CEA/IRFU (ex DAPNIA) avec le soutien du CNES.


Les qualités d'IBIS en tant que spectromètre 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 de vue. "Grâce à ces résultats on sait aujourd'hui que l'émission gamma de basse énergie de notre Galaxie 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 à l'APC et co-PI d'IBIS.


IBIS/ISGRI a aussi pu montrer que le trou noir 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 du noyau Galactique qui se serait produit quelques centaines d'années plus tôt.

Les résultats d'IBIS ne s'arrêtent pas à l'astrophysique, ils touchent aussi la physique fondamentale. Certaines théories de la gravité quantique prédisent un changement de l'angle de polarisation des photons pendant leur transport 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.

L'instrument SPI

SPI est un spectromètre à base de détecteurs en Germanium. Avec sa précision dans l'analyse spectrale, 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 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, 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 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 a montré que cette émission est concentrée dans les régions centrales de notre Galaxie, formant un "bulge" d'environ 10°. Il pourrait être légèrement décalé par rapport au Centre Galactique, mais cela reste à confirmer. Par ailleurs, le disque Galactique lui aussi contient une population de positrons, plus faible, mais qui apparaît lorsque l'on augmente le temps d'observation. L'origine de ces particules reste mystérieuse. Une matière noire légère a été suggérée pour expliquer leur création mais d'autres scénarios restent possibles.

La longévité exceptionnelle de l'instrument laisse augurer des résultats de plus en plus précis sur la morphologie de cette émission, par l'accumulation de données sur plus de 10 ans.

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 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 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 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 de plusieurs processus physiques: radiation d'annihilation, raies nucléaires, continuum diffus dû à l'émission interstellaire et à des sources non résolues.

Profitant de la quantité 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. Ce résultat illustre le potentiel des données SPI pour déterminer la distribution des électrons du rayonnement cosmique interstellaire.


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 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, si un champ magnétique 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 ceci permettra de comprendre comment ces sources transforment l'énergie libérée par l'accrétion 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, 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 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 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.

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 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 dans d'autres objets seront des objectifs prioritaires pour les années qui viennent et surtout pour les futures missions dans l'astronomie X/gamma.