Près de 50 ans après que l'astrophysicien britannique Jocelyn Bell ait découvert l'existence d'étoiles à neutrons en rotation rapide, La NASA lancera la première mission au monde consacrée à l'étude de ces objets insolites.

L'agence utilisera également la même plate-forme pour effectuer la première démonstration au monde de navigation par rayons X dans l'espace.

L'agence prévoit de lancer le Neutron Star Interior Composition Explorer deux-en-un, ou PLUS BEAU, à bord de SpaceX CRS-11, une mission de ravitaillement en cargo vers la Station spatiale internationale qui sera lancée à bord d'une fusée Falcon 9.

Environ une semaine après son installation en tant que charge utile externe attachée, cette enquête unique en son genre commencera à observer les étoiles à neutrons, les objets les plus denses de l'univers. La mission se concentrera en particulier sur les pulsars, ces étoiles à neutrons qui semblent clignoter parce que leur rotation balaie des faisceaux de rayonnement devant nous, comme un phare cosmique.

"Le timing de ce lancement est à propos, " a déclaré Keith Gendreau, un scientifique du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, qui a dirigé le développement de la mission impliquant également le Massachusetts Institute of Technology, le Laboratoire de recherche navale, et des universités aux États-Unis et au Canada. Bien que l'équipe ait terminé et livré la charge utile de la taille d'un réfrigérateur équipée de 56 télescopes à rayons X et de détecteurs au silicium plus tôt que prévu l'été dernier, une opportunité de lancement n'est devenue disponible qu'en 2017.

Peu après le 50e anniversaire de la découverte de Bell le 25 juillet, l'équipe NICER aurait dû collecter suffisamment de données "pour faire un peu sensation, " a ajouté Zaven Arzoumanian, chercheur principal adjoint de NICER, se référant aux conférences scientifiques de cette année, dont un célébrant la détection par Bell de signaux à impulsions régulières qui ont ensuite été identifiés comme des étoiles à neutrons en rotation.

Extrêmes physiques

En raison de leur nature extrême, les étoiles à neutrons et les pulsars ont suscité un grand intérêt depuis que leur existence a été théoriquement proposée en 1939 puis découverte en 1967.

Ces objets sont les restes d'étoiles massives qui, après avoir épuisé leur combustible nucléaire, a explosé et s'est effondré en sphères super denses de la taille de New York. Leur gravité intense écrase une quantité étonnante de matière, souvent plus de 1,4 fois le contenu du soleil ou au moins 460, 000 Terres—dans ces orbes de la taille d'une ville, créer stable, pourtant une matière incroyablement dense que l'on ne voit nulle part ailleurs dans l'univers. Une seule cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèserait un milliard de tonnes sur Terre.

"La nature de la matière dans ces conditions est un problème non résolu vieux de plusieurs décennies, " a déclaré Gendreau. " La théorie a avancé une multitude de modèles pour décrire la physique régissant l'intérieur des étoiles à neutrons. Avec NICE, nous pouvons enfin tester ces théories avec des observations précises."

Bien que les étoiles à neutrons émettent un rayonnement à travers le spectre, les observer dans la bande énergétique des rayons X offre les meilleurs aperçus de leur structure et des phénomènes de haute énergie qu'ils hébergent, y compris les tremblements d'étoiles, explosions thermonucléaires, et les champs magnétiques les plus puissants connus dans le cosmos.

Au cours de sa mission de 18 mois, NICER collectera les rayons X générés par les champs magnétiques extrêmement puissants des étoiles et par les points chauds situés à leurs deux pôles magnétiques. A ces endroits, les champs magnétiques intenses des objets émergent de leurs surfaces et les particules piégées dans ces champs pleuvent et génèrent des rayons X lorsqu'elles frappent les surfaces des étoiles.

Dans les pulsars, ces particules en écoulement émettent de puissants faisceaux de rayonnement à proximité des pôles magnétiques. Sur Terre, comme l'a découvert Bell, ces faisceaux de rayonnement sont observés sous forme d'éclairs de rayonnement allant de quelques secondes à quelques millisecondes selon la vitesse de rotation du pulsar.

Pour démontrer la navigation aux rayons X

Parce que ces pulsations sont prévisibles, ils peuvent être utilisés comme horloges célestes, fournir une synchronisation de haute précision, comme les signaux d'horloge atomique fournis par le système de positionnement global, également connu sous le nom de GPS. Bien qu'omniprésent sur Terre, Les signaux GPS s'affaiblissent au fur et à mesure que l'on s'éloigne au-delà de l'orbite terrestre. Pulsar, cependant, sont accessibles pratiquement partout dans l'espace, ce qui en fait une solution de navigation précieuse pour l'exploration de l'espace lointain.

En utilisant le même matériel NICER, la mission prévoit également de démontrer la viabilité de la navigation autonome à rayons X ou à base de pulsars, ce qui n'a jamais été démontré auparavant.

Dans une expérience appelée Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, ou SEXTANT, l'équipe utilisera les télescopes de NICER pour détecter la lumière des rayons X émise dans les faisceaux de rayonnement des pulsars afin d'estimer les temps d'arrivée des impulsions. Avec ces mesures, l'équipe utilisera des algorithmes spécialement développés pour assembler une solution de navigation embarquée.

Si une mission interplanétaire était équipée d'un tel appareil de navigation, il serait capable de calculer sa localisation de manière autonome, largement indépendant du Deep Space Network de la NASA, qui est considéré comme le système de télécommunications le plus sensible au monde.

"Notre objectif principal est la science, " a déclaré Gendreau. "Mais nous pouvons utiliser les mêmes mesures de pulsar pour démontrer la navigation aux rayons X. Il est rare que nous, les scientifiques, développions une expérience polyvalente comme celle-ci. Tout s'assemble."

Communications radiographiques possibles

Cependant, La navigation aux rayons X utilisant les données de synchronisation des pulsars de NICER n'est pas la seule technologie que l'équipe souhaite démontrer. Dans une autre première potentielle, l'équipe veut démontrer des communications basées sur les rayons X, ou XCOM - une capacité qui pourrait éventuellement permettre aux voyageurs de l'espace, y compris les engins spatiaux, pour transmettre des gigabits de données par seconde sur des distances interplanétaires.

Au centre de cette démonstration potentielle se trouve la source de rayons X modulée de Goddard, ou MXS, que l'équipe NICER a développé pour étalonner les détecteurs de la charge utile et aider à tester les algorithmes nécessaires pour démontrer la navigation par rayons X. Cet appareil génère des rayons X dont l'intensité varie rapidement, allumer et éteindre plusieurs fois par seconde pour simuler, par exemple, les pulsations d'une étoile à neutrons cible.

Pour afficher XCOM, l'équipe piloterait un MXS qualifié pour l'espace jusqu'à la Station spatiale internationale et le déploierait sur une palette d'expérimentation externe à environ 166 pieds de NICER. Au cours de l'expérimentation, l'équipe encoderait les données numériques en rayons X pulsés à l'aide du MXS et transmettrait les données aux récepteurs de NICER.

« Nous avons terminé la plupart du matériel, ", a déclaré Jason Mitchell, chef de projet SEXTANT et XCOM. "Nous avons juste besoin de quelques ressources supplémentaires pour terminer le travail."

Si l'équipe réussit à piloter MXS peut-être l'année prochaine, "la démonstration qui en résulte pourrait changer la donne, " a ajouté Mitchell. En plus de la promesse de vitesses de transmission de données en gigabits par seconde sur de vastes distances, Les communications par rayons X permettraient la communication avec les véhicules hypersoniques et les engins spatiaux.

"C'est une expérience très intéressante que nous faisons sur la station spatiale, " a déclaré Gendreau. "Nous avons eu beaucoup de soutien de la part des scientifiques et des spécialistes de la technologie spatiale au siège de la NASA. Ils nous ont aidés à faire progresser les technologies qui rendent NICER possible ainsi que celles que NICER démontrera. La mission ouvre des sentiers à plusieurs niveaux. »