L'amas de galaxies de Persée, situé à environ 240 millions d'années-lumière, est montré dans ce composite de lumière visible (vert et rouge) et d'images dans le proche infrarouge du Sloan Digital Sky Survey. Invisible ici est un mince, chaud, Gaz émetteur de rayons X qui remplit le cluster. Crédit :Robert Lupton et le Sloan Digital Sky Survey Consortium
Avant que sa brève mission ne se termine de manière inattendue en mars 2016, L'observatoire japonais à rayons X Hitomi a capturé des informations exceptionnelles sur les mouvements des gaz chauds dans l'amas de galaxies de Persée. Maintenant, grâce aux détails sans précédent fournis par un instrument développé conjointement par la NASA et la Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), les scientifiques ont pu analyser plus en profondeur la composition chimique de ce gaz, fournissant de nouvelles informations sur les explosions stellaires qui ont formé la plupart de ces éléments et les ont projetés dans l'espace.
L'amas de Persée, situé à 240 millions d'années-lumière dans sa constellation du même nom, est l'amas de galaxies le plus brillant en rayons X et parmi les plus massifs près de la Terre. Il contient des milliers de galaxies en orbite dans un mince gaz chaud, tous liés ensemble par la gravité. Le gaz mesure en moyenne 90 millions de degrés Fahrenheit (50 millions de degrés Celsius) et est la source de l'émission de rayons X de l'amas.
En utilisant l'instrument de spectromètre à rayons X mous haute résolution (SXS) d'Hitomi, les chercheurs ont observé le cluster entre le 25 février et le 6 mars, 2016, l'acquisition d'une exposition totale de près de 3,4 jours. Le SXS a observé un spectre sans précédent, révélant un paysage de pics de rayons X émis par divers éléments chimiques avec une résolution environ 30 fois meilleure qu'auparavant.
Dans un article publié en ligne dans la revue La nature le 13 novembre, l'équipe scientifique montre que les proportions des éléments trouvés dans l'amas sont presque identiques à ce que les astronomes voient dans le Soleil.
"Il n'y avait aucune raison de s'attendre à ce qu'au départ, " a déclaré le coauteur Michael Loewenstein, un chercheur de l'Université du Maryland au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "L'amas de Persée est un environnement différent avec une histoire différente de celle de notre Soleil. Après tout, les amas représentent une distribution chimique moyenne de nombreux types d'étoiles dans de nombreux types de galaxies qui se sont formées bien avant le Soleil."
Un groupe d'éléments est étroitement lié à une classe particulière d'explosion stellaire, appelées supernovas de type Ia. On pense que ces explosions sont responsables de la production de la majeure partie du chrome de l'univers, manganèse, le fer et le nickel—métaux connus collectivement sous le nom d'éléments « pic de fer ».
L'instrument du spectromètre à rayons X doux (SXS) d'Hitomi a capturé des données de deux zones qui se chevauchent de l'amas de galaxies de Persée (contours bleus, en haut à droite) en février et mars 2016. Le spectre résultant a 30 fois le détail de tout précédemment capturé, révélant de nombreux pics de rayons X associés au chrome, manganèse, nickel et fer. Les lignes bleu foncé dans les encarts indiquent les points de données radiographiques réels et leurs incertitudes. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA
Les supernovas de type Ia entraînent la destruction totale d'une naine blanche, un reste compact produit par des étoiles comme le Soleil. Bien que stable en soi, une naine blanche peut subir une explosion thermonucléaire incontrôlée si elle est associée à un autre objet dans le cadre d'un système binaire. Cela se produit soit en fusionnant avec une naine blanche compagne, soit, lorsqu'il est associé à une étoile normale proche, en volant une partie du gaz du partenaire. La matière transférée peut s'accumuler sur la naine blanche, augmentant progressivement sa masse jusqu'à ce qu'elle devienne instable et explose.
Une question ouverte importante a été de savoir si la naine blanche en explosion est proche de cette limite de stabilité - environ 1,4 masse solaire - quelles que soient ses origines. Différentes masses produisent différentes quantités de métaux de pointe de fer, donc un décompte détaillé de ces éléments sur une grande région de l'espace, comme l'amas de galaxies de Persée, pourrait indiquer quels types de naines blanches ont explosé le plus souvent.
"Il s'avère que vous avez besoin d'une combinaison de supernovas de type Ia avec des masses différentes au moment de l'explosion pour produire les abondances chimiques que nous voyons dans le gaz au milieu de l'amas de Persée, " dit Hiroya Yamaguchi, l'auteur principal de l'article et un chercheur scientifique de l'UMD à Goddard. "Nous confirmons qu'au moins environ la moitié des supernovas de type Ia doivent avoir atteint près de 1,4 masse solaire."
Pris ensemble, les résultats suggèrent que la même combinaison de supernovas de type Ia produisant des éléments à pic de fer dans notre système solaire a également produit ces métaux dans le gaz de l'amas. Cela signifie que le système solaire et l'amas de Persée ont connu une évolution chimique globalement similaire, suggérant que les processus de formation des étoiles - et les systèmes qui sont devenus des supernovas de type Ia - étaient comparables dans les deux endroits.
"Bien qu'il ne s'agisse que d'un exemple, il n'y a aucune raison de douter que cette similitude puisse s'étendre au-delà de notre Soleil et de l'amas de Persée à d'autres galaxies aux propriétés différentes, " a déclaré le co-auteur Kyoko Matsushita, professeur de physique à l'Université des sciences de Tokyo.
Bien que de courte durée, la mission Hitomi et son instrument révolutionnaire SXS —développé et construit par des scientifiques de Goddard travaillant en étroite collaboration avec des collègues de plusieurs institutions aux États-Unis, Le Japon et les Pays-Bas ont démontré la promesse de la spectrométrie de rayons X à haute résolution.
Illustration d'Hitomi, un observatoire d'astronomie à rayons X. Crédit :Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA)
"Hitomi nous a permis d'approfondir l'histoire de l'une des plus grandes structures de l'univers, l'amas de galaxies de Persée, et explorer comment les particules et les matériaux se comportent dans les conditions extrêmes là-bas, " a déclaré Richard Kelley de Goddard, le chercheur principal américain de la collaboration Hitomi. "Nos calculs les plus récents ont donné un aperçu de comment et pourquoi certains éléments chimiques sont distribués dans les galaxies au-delà de la nôtre."
Les scientifiques de la JAXA et de la NASA s'efforcent maintenant de récupérer les capacités scientifiques perdues dans l'accident d'Hitomi en collaborant à la mission de récupération d'astronomie à rayons X (XARM), devrait être lancé en 2021. L'un de ses instruments aura des capacités similaires à celles du SXS embarqué sur Hitomi.
Hitomi a été lancé le 17 février 2016, et a subi une anomalie de vaisseau spatial de fin de mission 38 jours plus tard. Hitomi, qui se traduit par " pupille de l'œil, " était connue avant le lancement sous le nom d'ASTRO-H. La mission a été développée par l'Institut des sciences spatiales et astronautiques, une division de JAXA. Il a été construit conjointement par une collaboration internationale menée par JAXA, avec des contributions de Goddard et d'autres institutions aux États-Unis, Japon, Canada et Europe.
