Image de l’amas compact Westerlund 2 (Westerlund 2), obtenue par le télescope ART-XC nommé d’après. Observatoire MN Pavlinsky “Spektr-RG”, dans deux gammes: 4–12 keV (à gauche) et 14–30 keV (à droite). Les contours verts montrent la zone étudiée et le champ de vision du télescope Chandra (NASA). Les contours blancs sont des sources distinctes. Les zones exclues de l’analyse sont indiquées en rouge. Source : AM Bykov, Yu. A. Uvarov, M.E. Kalyashova, D.V. Badmaev, I. Yu. Lapshov, AA Lutovinov, IA Mereminskiy, AN Émission de rayons X Semena de Westerlund 2 détectée par SRG/ART-XC et Chandra : recherche de rayonnement de leptons TeV, MNRAS (2023).
Des astrophysiciens russes de l’IKI et de l’institut Ioffe de l’Académie russe des sciences a étudié l’amas d’étoiles compact Westerlund 2. Grâce aux nouvelles données obtenues par le télescope à rayons X russe ART-XC à bord de l’observatoire spatial Spektr-RG, il est devenu clair que la source de rayonnement X à haute énergie était très probablement des électrons du vent stellaire accélérés à de très hautes énergies.
Un objet appelé Westerlund 2 est un amas d’étoiles jeunes et chaudes avec de puissants vents stellaires, ou, en d’autres termes, un “amas d’étoiles compact”.
Les étoiles jeunes et massives sont des sources de vents stellaires puissants, un flux de matière s’écoulant de leur surface à des vitesses de milliers de kilomètres par seconde. La puissance des vents des jeunes étoiles massives est des centaines de millions de fois supérieure à la puissance du vent solaire. Comme le “voisinage” des vents dans l’amas est très proche, ils commencent à entrer en collision et, à la suite de ces interactions, des particules chargées sont accélérées et des photons de très haute énergie naissent. La physique de ces systèmes est très complexe et les observations de tels amas, associées aux simulations, offrent une chance de clarifier beaucoup de choses.
Soit dit en passant, peu d’amas massifs compacts de ce type sont connus dans notre Galaxie, environ 15. Il y a des galaxies où il y en a beaucoup plus (cela est probablement dû au fait que ces galaxies subissent des collisions avec d’autres).
Pour expliquer ce rayonnement, des modèles théoriques ont été proposés qui peuvent être divisés en deux groupes.
- Les premiers suggèrent que l’accélération des particules émettant des rayons gamma se produit à l’intérieur de l’amas lors de l’interaction des flux de vent stellaire provenant de différentes étoiles.
- La seconde est que l’accélération se produit dans la région de décélération du vent commun de l’amas, qui se forme probablement lors de l’interaction des vents des étoiles individuelles.
Dans ces deux modèles, des mécanismes quelque peu différents opèrent, et un choix en faveur de l’un ou de l’autre ne peut se faire que sur la base d’observations détaillées, y compris dans le domaine des rayons X.
L’amas d’étoiles Westerlund 2 a été observé pendant assez longtemps par le Chandra X-ray Observatory (NASA). Ces données sont d’une grande importance scientifique. Cependant, Chandra enregistre des photons de rayons X qui n’ont pas les énergies les plus élevées – d’environ 0,2 à 8 kiloélectronvolts (keV) – et cela n’a pas suffi à confirmer ou à réfuter les modèles existants.
Par conséquent, pour résoudre ce problème, il a été décidé d’impliquer le télescope russe ART-XC nommé d’après M.N. Pavlinsky à bord de l’observatoire Spektr-RG, capable d’enregistrer des photons plus énergétiques – jusqu’à 30 keV. La deuxième caractéristique importante de l’ART-XC est son large champ de vision.
Bien que sa résolution angulaire ne soit pas aussi élevée que celle de l’observatoire Chandra, mais avec la combinaison des données de ces deux instruments, il devient possible de distinguer le rayonnement provenant des étoiles elles-mêmes dans l’amas, du rayonnement généré dans le région turbulente de la collision des vents stellaires énergétiques, qui intéresse les chercheurs.
Le résultat de cette analyse était le spectre de rayons X conjoint du plasma chaud de l’amas de Westerlund 2, s’étendant des rayons X « mous » aux rayons « durs ». Un tel spectre a été obtenu pour la première fois pour cet objet. Il est cependant intéressant de noter qu’à des énergies supérieures à 15 keV, l’amas s’est avéré “non visible”. Cela impose de sérieuses restrictions aux modèles avec la prédominance de la diffusion Compton comme mécanisme de production de rayons X à haute énergie.
Les scientifiques russes étudient les processus physiques dans des objets aussi uniques que Westerlund 2 depuis une dizaine d’années et, plus récemment, à l’aide d’ordinateurs du Centre interdépartemental de supercalculateurs de l’Académie russe des sciences, ils ont construit des modèles magnétohydrodynamiques tridimensionnels de la dynamique des flux de plasma et l’accélération des particules dans un amas d’étoiles. Il est maintenant possible de comparer les calculs avec l’image réelle observée.
En conséquence, il s’est avéré qu’il est possible d’expliquer les données des observations de rayons X si, avec le rayonnement du plasma chauffé à des dizaines de millions de degrés lors de la collision des vents, l’amas contient également des rayons X plus énergétiques, photons du rayonnement synchrotron d’électrons et positrons accélérés dans la même collision de vents à des énergies très élevées – jusqu’à des centaines de téraélectronvolts.
Les résultats de l’étude donnent un aperçu de la nature des accélérateurs de particules cosmiques et démontrent l’efficacité de l’utilisation de télescopes à rayons X à haute résolution angulaire et à large plage d’énergie, tels que ART-XC.
Le mystère de l’origine des rayons cosmiques galactiques existe depuis leur découverte il y a plus de cent ans. Pour le résoudre, des observations supplémentaires à l’aide d’observatoires X et gamma de nouvelle génération, et des travaux de modélisation sont nécessaires pour expliquer les nouvelles données.
Le vaisseau spatial Spektr-RG, développé NPO Lavochkine (qui fait partie deRoscosmos), a été lancé le 13 juillet 2019 par un lanceur Proton-M avec un étage supérieur DM-03 depuis le cosmodrome de Baïkonour. Il a été créé avec la participation de l’Allemagne dans le cadre du programme spatial fédéral de Russie sur ordre de l’Académie des sciences de Russie. L’observatoire est équipé de deux télescopes à miroir à rayons X uniques : ART-XC nommé d’après M.N. Pavlinsky (IKI RAS, Russie) et eROSITA* (MPE, Allemagne), fonctionnant sur le principe de l’optique à rayons X à incidence oblique. Les télescopes sont installés sur la plateforme spatiale Navigator (NPO Lavochkine, Russie), adaptée aux tâches du projet. L’objectif principal de la mission est de cartographier tout le ciel en soft (0. 3–8 keV) et dures (4–20 keV) du spectre des rayons X avec une sensibilité sans précédent. Le directeur scientifique de l’observatoire orbital à rayons X Spektr-RG est l’académicien Rashid Sunyayev.
[KN: *Hélas les sanctions occidentales contre la Russie ont poussé l’ESA à interrompre cette collaboration avec la Russie et donc à éteindre le rediotélescope eROSITA depuis mars 2022. Il pourrait fonctionner mais il ne sert plus à rien! Un bel exemple de gâchis scientifique (et financier) pour des raisons politiques: malheureux chercheurs allemands et européens qui avaient investi une partie énorme de leur carrière scientifique dans ce projet. Malheureux scientifiques en général…]
