84 mystérieuses sources de rayons X très mous découvertes dans les archives de Chandra

Des astronomes dirigés par Mustafa Muhibullah ont identifié 84 sources ponctuelles et lumineuses de rayons X qui avaient, pour l’essentiel, échappé aux relevés classiques des galaxies proches. Baptisés sources de rayons X hypersouples (hypersoft X-ray sources, HSS), ces objets émettent principalement à des énergies X exceptionnellement basses, sous 0,3 keV. La découverte provient d’une nouvelle analyse d’observations publiques du télescope spatial Chandra de la NASA. 3

L’échantillon comprend les galaxies spirales M31 — la galaxie d’Andromède — et M101, dite du Moulinet, ainsi que quatre galaxies elliptiques. Il s’agit pour l’instant d’une classe définie par l’observation : leur signature énergétique est nette, mais la nature précise de chaque source demeure inconnue. 3

Pourquoi étaient-elles passées inaperçues ?

La plupart des recherches de sources X privilégient des bandes d’énergie plus élevées. Or les HSS se comportent à l’inverse : elles ressortent dans les données les moins énergétiques de Chandra, mais deviennent très faibles, voire invisibles, dans les images X habituelles à plus haute énergie. Les chercheurs les définissent notamment par une émission dominante sous 0,3 keV et par un rapport très élevé entre les photons de 0,15–0,3 keV et ceux de 0,3–1,0 keV. 3

Deux difficultés d’observation expliquent ce biais :

• la sensibilité de Chandra est plus délicate à exploiter à l’extrémité basse de sa gamme d’énergie ;
• le rayonnement ultraviolet attendu pour des spectres aussi mous est facilement absorbé avant d’arriver jusqu’à nous par l’hydrogène et l’hélium du milieu interstellaire.

Ces contraintes créent une sorte d’angle mort entre les observations en rayons X et celles dans l’ultraviolet. Des travaux antérieurs fondés sur Chandra avaient déjà relevé que les sources n’émettant que sous 0,3 keV figuraient rarement dans les catalogues standards et les listes publiées de sources X. 6

Quels objets pourraient les alimenter ?

L’hypothèse principale est celle d’un système binaire en accrétion : un objet compact attire le gaz d’une étoile compagne. Cet objet pourrait être une naine blanche, une étoile à neutrons ou un trou noir. En chutant vers lui, la matière se réchauffe et peut produire surtout des rayonnements dans l’ultraviolet extrême et les rayons X ultrasouples, plutôt que les rayons X plus énergétiques associés à de nombreuses binaires X.

Les modèles ajustés aux spectres de Chandra suggèrent des températures de l’ordre de 200 000 à 250 000 °C. Ce ne sont toutefois pas des mesures directes : elles sont déduites de données obtenues à la limite basse de sensibilité du télescope et dépendent donc du modèle employé. Une même apparence « hypersouple » pourrait ainsi provenir de plusieurs types d’objets compacts ou de différents régimes d’accrétion.

Un enjeu pour les supernovæ de type Ia et le gaz galactique

Si une partie de ces HSS correspond à des naines blanches gagnant régulièrement de la masse aux dépens de leur compagne, elles pourraient aider à repérer des systèmes susceptibles d’atteindre les conditions associées aux supernovæ de type Ia. Identifier les voies de formation de ces explosions stellaires reste une question majeure de l’astrophysique.

Leur rayonnement ultraviolet potentiel pourrait aussi influencer leur environnement. Les photons UV ionisent le gaz alentour ; l’état d’ionisation modifie la chimie et le refroidissement de ce gaz, deux mécanismes importants pour son évolution au sein des galaxies. La NASA souligne que ces nouvelles sources pourraient éclairer à la fois l’origine des supernovæ de type Ia et l’ionisation du milieu interstellaire.

Ce que Hubble doit vérifier

La prochaine étape consiste à tester directement le rayonnement ultraviolet déduit des données de Chandra. Des observations prévues avec le télescope spatial Hubble chercheront des contreparties ultraviolettes pour certaines HSS, ou fixeront des limites à leur luminosité UV. Elles offriront ainsi un contrôle indépendant des estimations énergétiques issues de leurs spectres X ultrasouples.

En combinant ces données UV avec la luminosité X, la variabilité des sources, leur environnement local et d’éventuels indices sur leurs étoiles compagnes, les astronomes espèrent distinguer les systèmes à naine blanche de ceux abritant une étoile à neutrons ou un trou noir. Ces mesures permettront aussi de savoir si les HSS constituent une population physique unique, ou un regroupement de plusieurs types de binaires compactes partageant une signature inhabituelle aux très basses énergies.