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Jul 01, 2023

NuSTAR de la NASA fait des découvertes éclairantes avec la lumière « nuisance »

Cette illustration montre le télescope à rayons X NuSTAR de la NASA dans l'espace. Deux volumineux

Cette illustration montre le télescope à rayons X NuSTAR de la NASA dans l'espace. Deux composants volumineux sont séparés par une structure de 33 pieds (10 mètres) appelée mât déployable, ou flèche. La lumière est collectée à une extrémité de la perche et est focalisée sur sa longueur avant d'atteindre les détecteurs à l'autre extrémité.

Une bizarrerie de conception dans l'observatoire à rayons X a permis aux astronomes d'utiliser une lumière auparavant indésirable pour étudier encore plus d'objets cosmiques qu'auparavant.

Depuis près de 10 ans, l'observatoire spatial à rayons X NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) de la NASA étudie certains des objets les plus énergétiques de l'univers, tels que la collision d'étoiles mortes et d'énormes trous noirs se régalant de gaz chauds. Pendant ce temps, les scientifiques ont dû faire face à la lumière parasite qui s'infiltrait par les côtés de l'observatoire, ce qui peut interférer avec les observations tout comme le bruit externe peut noyer un appel téléphonique.

Mais maintenant, les membres de l'équipe ont compris comment utiliser cette lumière parasite aux rayons X pour en savoir plus sur les objets dans la vision périphérique de NuSTAR tout en effectuant des observations ciblées normales. Ce développement a le potentiel de multiplier les informations fournies par NuSTAR. Un nouvel article scientifique dans le Astrophysical Journal décrit la première utilisation des observations de lumière parasite de NuSTAR pour en savoir plus sur un objet cosmique – dans ce cas, une étoile à neutrons.

Pépites de matière laissées après l'effondrement d'une étoile, les étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus denses de l'univers, juste derrière les trous noirs. Leurs puissants champs magnétiques piègent les particules de gaz et les dirigent vers la surface de l'étoile à neutrons. Au fur et à mesure que les particules sont accélérées et énergisées, elles libèrent des rayons X à haute énergie que NuSTAR peut détecter.

La nouvelle étude décrit un système appelé SMC X-1, qui consiste en une étoile à neutrons en orbite autour d'une étoile vivante dans l'une des deux petites galaxies en orbite autour de la Voie lactée (la galaxie d'origine de la Terre). La luminosité de la sortie de rayons X du SMC X-1 semble varier énormément lorsqu'elle est vue par des télescopes, mais des décennies d'observations directes par NuSTAR et d'autres télescopes ont révélé un modèle de fluctuations. Les scientifiques ont identifié plusieurs raisons pour lesquelles SMC X-1 change de luminosité lorsqu'il est étudié par des télescopes à rayons X. Par exemple, la luminosité des rayons X diminue lorsque l'étoile à neutrons plonge derrière l'étoile vivante à chaque orbite. Selon l'article, les données de lumière parasite étaient suffisamment sensibles pour détecter certains de ces changements bien documentés.

"Je pense que cet article montre que cette approche de la lumière parasite est fiable, car nous avons observé des fluctuations de luminosité dans l'étoile à neutrons dans SMC X-1 que nous avons déjà confirmées par des observations directes", a déclaré McKinley Brumback, astrophysicien à Caltech à Pasadena, Californie, et auteur principal de la nouvelle étude. "À l'avenir, ce serait formidable si nous pouvions utiliser les données de lumière parasite pour regarder des objets lorsque nous ne savons pas déjà s'ils changent régulièrement de luminosité et utiliser potentiellement cette approche pour détecter les changements."

Forme et fonction

La nouvelle approche est possible grâce à la forme de NuSTAR, qui ressemble à un haltère ou à un os de chien : il comporte deux composants volumineux à chaque extrémité d'une structure étroite de 33 pieds de long (10 mètres de long) appelée mât déployable, ou flèche. En règle générale, les chercheurs pointent l'une des extrémités volumineuses - qui contient l'optique ou le matériel qui collecte les rayons X - vers l'objet qu'ils souhaitent étudier. La lumière se déplace le long de la flèche vers les détecteurs, situés à l'autre extrémité du vaisseau spatial. La distance entre les deux est nécessaire pour focaliser la lumière.

Mais la lumière parasite atteint également les détecteurs en pénétrant par les côtés de la perche, en contournant l'optique. Il apparaît dans le champ de vision de NuSTAR avec la lumière de n'importe quel objet que le télescope observe directement, et est souvent assez facile à identifier à l'œil nu : il forme un cercle de lumière faible émergeant des côtés de l'image. (Sans surprise, la lumière parasite est un problème pour de nombreux autres télescopes spatiaux et terrestres.)

Un groupe de membres de l'équipe NuSTAR a passé les dernières années à séparer la lumière parasite de diverses observations NuSTAR. Après avoir identifié des sources de rayons X brillantes et connues à la périphérie de chaque observation, ils ont utilisé des modèles informatiques pour prédire la quantité de lumière parasite qui devrait apparaître en fonction de l'objet brillant qui se trouvait à proximité. Ils ont également examiné presque toutes les observations NuSTAR pour confirmer le signe révélateur de la lumière parasite. L'équipe a créé un catalogue d'environ 80 objets pour lesquels NuSTAR avait recueilli des observations de lumière parasite, nommant la collection "StrayCats".

"Imaginez être assis dans une salle de cinéma calme, regarder un drame et entendre les explosions dans le film d'action qui se joue à côté", a déclaré Brian Grefenstette, chercheur principal à Caltech et membre de l'équipe NuSTAR à la tête des travaux sur StrayCats. "Dans le passé, c'était à cela que ressemblait la lumière parasite - une distraction par rapport à ce sur quoi nous essayions de nous concentrer. Nous avons maintenant les outils pour transformer ce bruit supplémentaire en données utiles, ouvrant une toute nouvelle façon d'utiliser NuSTAR pour étudier l'univers."

Bien sûr, les données de lumière parasite ne peuvent pas remplacer les observations directes de NuSTAR. En plus de la lumière parasite non focalisée, de nombreux objets que NuSTAR peut observer directement sont trop faibles pour apparaître dans le catalogue de lumière parasite. Mais Grefenstette a déclaré que plusieurs étudiants de Caltech ont passé au peigne fin les données et trouvé des cas d'éclaircissement rapide d'objets périphériques, qui pourraient être un certain nombre d'événements dramatiques, tels que des explosions thermonucléaires à la surface d'étoiles à neutrons. L'observation de la fréquence et de l'intensité des changements de luminosité d'une étoile à neutrons peut aider les scientifiques à déchiffrer ce qui arrive à ces objets.

"Si vous essayez de rechercher un modèle dans le comportement à long terme ou la luminosité d'une source de rayons X, les observations de lumière parasite pourraient être un excellent moyen de vérifier plus souvent et d'établir une base de référence", a déclaré Renee Ludlam, un boursier du programme Einstein de la NASA Hubble Fellowship à Caltech et membre de l'équipe StrayCats. "Ils pourraient également nous permettre d'attraper des comportements étranges dans ces objets lorsque nous ne les attendons pas ou lorsque nous ne serions normalement pas en mesure de pointer NuSTAR directement sur eux. Les observations de lumière parasite ne remplacent pas les observations directes, mais plus de données sont toujours bonnes."

En savoir plus sur la mission

NuSTAR a été lancé le 13 juin 2012. Une mission Small Explorer dirigée par Caltech et gérée par JPL pour la Direction des missions scientifiques de la NASA à Washington, elle a été développée en partenariat avec l'Université technique danoise (DTU) et l'Agence spatiale italienne (ASI). L'optique du télescope a été construite par l'Université Columbia, le Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et DTU. Le vaisseau spatial a été construit par Orbital Sciences Corp. à Dulles, en Virginie. Le centre des opérations de mission de NuSTAR se trouve à l'Université de Californie à Berkeley, et les archives de données officielles se trouvent au centre de recherche des archives scientifiques d'astrophysique à haute énergie de la NASA. ASI fournit la station au sol de la mission et une archive de données miroir. Caltech gère le JPL pour la NASA.

Pour plus d'informations sur NuSTAR, visitez:

http://www.nasa.gov/nustar

et

www.nustar.caltech.edu

Calla Cofield

Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Californie.

626-808-2469

[email protected]

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