4 questions sur XRISM, la mission qui cible les évènements extrêmes de l'univers

Les cataclysmes les plus violents du cosmos. Voilà, en somme, ce que va regarder le nouveau télescope spatial japonais XRISM. Lancement fin août 2023.

XRISM, c’est quoi ?

XRISM est le nom donné à une mission scientifique encadrée par l’agence spatiale japonaise (Jaxa). Objectif de XRISM, dont l’acronyme signifie X-ray Imaging and Spectroscopy Mission ? Déployer un télescope en orbite terrestre basse pour observer les phénomènes de hautes et très hautes énergies dans le cosmos. Elle embarque en particulier deux instruments.

Le premier de ces instruments, appelé Xtend, est un imageur étendu spécialisé dans la détection de sources cosmiques qui émettent des rayons X. Le second, dénommé Resolve, est un spectromètre chargé de mesurer la température et la dynamique des objets émetteurs de rayons X, en captant les photons reçus. En résumé, l’un détecte, l’autre mesure.

Cette mission se déroule avec l’appui de son homologue américaine (Nasa). L’Agence spatiale européenne (ESA) est aussi de la partie, à travers la fourniture de matériel et de conseils scientifiques, ce qui lui permettra de récupérer 8 % du temps d’observation disponible de XRISM, une fois l’observatoire en place.

En particulier, l’ESA a choisi les objectifs « tests » pour calibrer les instruments de XRISM avant le début de sa carrière, afin de vérifier ses performances. Elle a aussi livré un télescope optique pour aider l’engin à savoir toujours où il pointe, aidé à la conception de Resolve, et des dispositifs d’aide à l’orientation, basée sur le champ magnétique terrestre.

Vue d'artiste du télescope XRISM. // Source : NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab — Vue d’artiste du télescope XRISM. // Source : NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Que va traquer XRISM ?

L’observation de l’Univers se fait en regardant ce qui se passe dans le cosmos. Il y a ce que l’on peut observer via la lumière visible, qui est en fait un tout petit morceau du spectre électromagnétique, et il y a tout ce qui est du domaine de l’invisible : les ondes radio, l’infrarouge, l’ultraviolet, mais aussi les signaux liés aux hautes et très hautes énergies : les rayons X et les rayons gamma.

C’est là que va se positionner XRISM, en ciblant les rayons X. Ce n’est d’ailleurs pas la première fois que l’agence spatiale nipponne se mobilise sur ce segment. Plusieurs missions passées étaient liées aux hautes et très hautes énergies : Taiyo (1975), Hakucho (1979), Hinotori (1981), Tenma (1983), Ginga (1987), Yohkoh (1991), Asca (1993), Suzaku (2005) et Hitomi (2016).

Il s’avère que les signaux liés aux hautes et très hautes énergies proviennent des évènements les plus intenses de l’univers. Ici, il faut comprendre explosion d’étoile (une supernova), trou noir supermassif ou encore éruption solaire. Des évènements que l’on ne peut voir que dans l’espace, car l’atmosphère terrestre agit comme un filtre, en empêchant ces rayonnements d’atteindre la surface.

étoile supernova Une — Ça fait bim, bam, BOUM. // Source : ASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

Durant sa carrière, XRISM va cibler le rayonnement X dit « mou », c’est-à-dire des rayons véhiculant une énergie relativement moindre que le rayonnement X dit « dur ». Les instruments embarqués par l’observatoire sont taillés pour travailler avec une énergie allant de 0,3 à 12 électronvolt (keV). On les considère mous jusqu’à 10 keV et durs au-delà.

L’un des défis de ces observatoires est de réussir à capter des signaux dont les longueurs sont très courtes (plus elles sont intenses, plus elles sont courtes). Elles sont plus courtes que la distance moyenne entre les atomes d’un bloc de verre, rappelait le planétologue Pierre Brisson en 2018. Impossible, donc, d’utiliser des miroirs habituels d’un télescope.

À la place d’un miroir dont l’angle serait orienté perpendiculairement à la source, qui serait traversé par les rayons X, il a été mis au point un autre jeu de miroirs. C’est le principe du télescope Wolter. Les miroirs sont dans l’alignement du rayonnement X, afin de le capter selon une trajectoire rasante, avant d’orienter progressivement le rayonnement vers le foyer de l’instrument.

Quelles questions XRISM doit-il aider à résoudre ?

Des réponses pourraient émerger à certaines questions que se posent les astronomes. L’ESA en liste quelques-unes : comment les amas de galaxies se sont-ils formés et ont-ils évolué ? À quoi la structure de l’espace-temps ressemble-t-elle sous une gravité intense ? Comment les trous noirs massifs affectent-ils la formation d’étoiles ?

L’astronome Yaël Nazé relevait également l’intérêt de la communauté scientifique pour XRISM afin de connaître les propriétés de la matière au moment de plonger dans un trou noir, ou quand elle est violemment éjectée à l’horizon des évènements. Ou bien, ce qui se passe pendant et après une supernova, ou encore pour déterminer les mécanismes liés aux éruptions stellaires.

Sur un plan technologique, XRISM sera aussi une passerelle bien pratique pour l’ESA, en vue de sa future mission Athena, qui est, elle aussi, dédié à l’astrophysique à haute énergie. Celle-ci doit être lancée à la fin des années 2030. XRISM servira de retour d’expérience, notamment concernant l’instrument Resolve, dont un équivalent sera déployé sur Athena.

Quand la traque des évènements violents de l’univers débute-t-elle ?

L’envol de XRISM est prévu le 26 août 2023, à 2h34 du matin (heure de Paris). Le télescope sera emporté par une fusée nipponne H-IIA depuis le Centre spatial de Tanegashima au Japon. Si le déploiement en orbite terrestre basse ne prendra pas plus de quelques jours, il faudra plusieurs semaines pour calibrer XRISM et le laisser faire ses premières prises de vue.