Astrophysique: le fond de rayons X de l’Univers mesuré avec une précision record

Grâce à la technique unique de modulation spatiale du fond de rayons X sur les détecteurs du télescope orbital NuSTAR, il a été possible d'étudier avec une précision record le fond de rayons X cosmiques - le rayonnement de millions de trous noirs supermassifs dans notre Univers. Roman Krivonos, chercheur principal à l'Institut de recherche spatiale (IKI) de l'Académie des sciences de Russie (RAN), et ses collègues ont pu obtenir une précision de mesure inférieure à un pour cent, avec une contribution insignifiante des signaux de bruit.

L'article a été accepté pour publication dans le numéro d'avril des Monthly notices of Royal Astronomical Society et publié en ligne. Les travaux sont directement liés à la préparation d'une nouvelle expérience aux rayons X de l'IKI RAS "Monitor of the whole sky" à bord de la Station spatiale internationale, qui doit débuter en 2022.

"Image du mois" de l'observatoire INTEGRAL. L'amplitude des flux de rayons X de fond dans la gamme de 3 à 20 keV selon l'observatoire NuSTAR en utilisant une nouvelle méthode de modulation spatiale. Les valeurs mesurées sur deux modules de détection de l'observatoire sont affichées en bleu et en rouge. La ligne pointillée montre les résultats des mesures effectuées par les observatoires INTEGRAL et HEAO-1. Les résultats des nouvelles mesures sont généralement cohérents avec les résultats de l'observatoire INTEGRAL, mais environ 8% plus élevés que le flux mesuré par HEAO-1.

Vous pouvez étudier l'Univers en utilisant plusieurs canaux d'information. Ce sont, tout d'abord, les rayonnements électromagnétiques (cela inclut la lumière visible - la principale source d'information pour la plupart des gens) et les rayons cosmiques - des flux de particules chargées (récemment, des neutrinos et des ondes gravitationnelles leur ont été ajoutés). La source d'information la plus connue sur tout notre Univers est peut-être le fond relique des micro-ondes, qui a conservé la «mémoire» de la première période de son évolution. Cependant, même avant la découverte du fond micro-ondes, les astrophysiciens connaissaient l'existence des rayons X, qui remplissent tout l'Univers.

Dans les toutes premières observations astronomiques aux rayons X du début des années 60 du XXe siècle, un rayonnement X isotrope (c'est-à-dire venant de toutes les directions) - le fond cosmique des rayons X - a été découvert. Avec le développement de l'astronomie aux rayons X, une compréhension de la nature de cet arrière-plan s'est établie, qui, comme il s'est avéré, consiste en le rayonnement de plusieurs millions d'objets individuels - des trous noirs supermassifs qui absorbent la matière environnante dans les noyaux de galaxies éloignées et proches.

Malgré la longue histoire de la recherche sur les rayons X et le développement constant de la technologie d'observation, il est encore difficile de mesurer avec précision les caractéristiques du fond cosmique des rayons X, principalement parce qu'il est nécessaire de séparer le «signal utile» du rayonnement cosmique de le bruit extérieur provenant des détecteurs à rayons X. Surmontant ces difficultés, c'est-à-dire obtenir de plus en plus de cartes «propres» du fond cosmique des rayons X, on peut espérer voir des inhomogénéités dans sa distribution. Dans certaines parties du ciel, il sera plus lumineux, quelque part, au contraire, plus sombre, et ces inhomogénéités portent de nouvelles informations sur la structure de notre Univers, puisque la distribution des trous noirs supermassifs correspond à la façon dont les galaxies et amas de galaxies sont répartis dans espacer.

Depuis longtemps, l'IKI RAS mène des études actives sur le fond cosmique des rayons X. En 2003, sous la direction de M.G. Revnivtsev, le fond de rayons X a été mesuré à l'aide des données de l'observatoire orbital de rayons X nommé d'après V.I. Bruno Rossi. En 2006, l'observatoire gamma INTEGRAL a mené une expérience unique pour mesurer le spectre d'énergie du fond de rayons X à l'aide de la manœuvre du disque terrestre traversant les champs de vision des télescopes de l'observatoire. Les résultats de cette expérience peuvent être trouvés dans l'article de E. M. Churazov et ses collègues.

Depuis plusieurs décennies de développement de l'astronomie des rayons X, la précision de la mesure du fond cosmique des rayons X a été portée à plusieurs pour cent. Mais cela s'est avéré insuffisant pour étudier les fluctuations de fond liées à l'inhomogénéité de la distribution des galaxies dans l'Univers proche (plusieurs dizaines de mégaparsecs) et au caractère ponctuel (non diffus) du fond. En d'autres termes, les pixels sur les cartes d'intensité de fond des rayons X étaient encore assez grands pour une analyse détaillée.

En utilisant la technique unique de modulation spatiale du fond de rayons X sur les détecteurs du télescope orbital NuSTAR (NASA), Roman Krivonos et ses collègues ont réussi à atteindre une précision record dans la mesure du fond de rayons X cosmiques - moins de 1%, avec une contribution insignifiante du bruit systématique.

«Nous avons mesuré le spectre KXB dans la plage d'énergie de 3 à 20 keV à partir des observations du télescope orbital NuSTAR», explique Roman Krivonos , chercheur senior au département d'astrophysique des hautes énergies de l'IKI RAS. "Les différences d'intensité de fond observées dans plusieurs des zones étudiées dans le ciel sont en bon accord avec celles que l'on s'attendait à trouver en raison des variations de la population de trous noirs supermassifs. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour étudier les fluctuations angulaires de fond."

La nouvelle méthode de mesures de haute précision de l'intensité de fond des rayons X peut aider à détecter le prédit en 2019 par S.A. Grebenev et R.A. Distorsions de Sunyaev dans le spectre d'arrière-plan, qui apparaissent dans la direction vers les amas de galaxies. Ils devraient se produire lorsque les photons du fond des rayons X traversent le gaz intergalactique chaud des amas. Les scientifiques de l'IKI RAS prévoient de continuer à étudier le fond des rayons X de l'Univers à l'aide de l'instrument All-Sky Monitor de la Station spatiale internationale, qui est en cours de développement au Département d'astrophysique des hautes énergies de l'IKI RAS. Au cours de l'expérience, les chercheurs prévoient d'étudier le fond des rayons X déjà dans la gamme d'énergie supérieure de 6 à 70 keV.

L'idée de l'expérience MVN est d'utiliser les caractéristiques de l'orbite de l'ISS pour étudier tout le ciel en rayons X. Livraison d'un modèle de vol MVN à RKK Energuya est prévu pour octobre 2021. Le début de l'expérience spatiale sur l'ISS est prévu pour 2022.

Sources et crédits des données: Monthly notices of Royal Astronomical Society, IKI RAN et Roscosmos