Lorsqu'une grande étoile subit un effondrement gravitationnel vers la fin de sa durée de vie, une étoile à neutrons en est souvent le résultat. C'est ce qui reste après que les couches externes de l'étoile ont été emportées par une explosion massive (c'est-à-dire une supernova) et que le noyau s'est comprimé à une densité extrême. Par la suite, la vitesse de rotation de l’étoile augmente considérablement, et là où ils émettent des faisceaux de rayonnement électromagnétique, ils deviennent des «pulsars».
Et maintenant, 50 ans après leur première découverte par l'astrophysicien britannique Jocelyn Bell, la première mission consacrée à l'étude de ces objets est sur le point d'être montée. Il est connu sous le nom de Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), une expérience en deux parties qui sera déployée à la Station spatiale internationale cet été. Si tout se passe bien, cette plateforme mettra en lumière l'un des plus grands mystères astronomiques et testera de nouvelles technologies.
Les astronomes étudient les étoiles à neutrons depuis près d'un siècle, ce qui a donné des mesures très précises de leurs masses et de leurs rayons. Cependant, ce qui se passe réellement à l'intérieur d'une étoile à neutrons reste un mystère durable. Alors que de nombreux modèles ont été avancés qui décrivent la physique régissant leurs intérieurs, on ne sait toujours pas comment la matière se comporterait dans ces types de conditions.
Pas étonnant, car les étoiles à neutrons contiennent généralement environ 1,4 fois la masse de notre Soleil (ou 460 000 fois la masse de la Terre) dans un volume d'espace de la taille d'une ville. Ce genre de situation, où une quantité considérable de matière est emballée dans un très petit volume - résultant en une gravité écrasante et une densité de matière incroyable - n'est vu nulle part ailleurs dans l'Univers.
Comme Keith Gendreau, un scientifique du Goddard Space Flight Center de la NASA, l'a expliqué dans un récent communiqué de presse de la NASA:
«La nature de la matière dans ces conditions est un problème non résolu vieux de plusieurs décennies. La théorie a avancé une multitude de modèles pour décrire la physique régissant l'intérieur des étoiles à neutrons. Avec NICER, nous pouvons enfin tester ces théories avec des observations précises. »
NICE a été développé par le Goddard Space Flight Center de la NASA avec l'aide du Massachusetts Institute of Technology (MIT), du Naval Research Laboratory et d'universités des États-Unis et du Canada. Il se compose d'un appareil de la taille d'un réfrigérateur qui contient 56 télescopes à rayons X et détecteurs au silicium. Bien qu'il devait initialement être déployé fin 2016, une fenêtre de lancement n'est devenue disponible que cette année.
Une fois installé comme charge utile externe à bord de l'ISS, il recueillera des données sur les étoiles à neutrons (principalement des pulsars) sur une période de 18 mois en observant les étoiles à neutrons dans la bande des rayons X. Même si ces étoiles émettent un rayonnement à travers le spectre, les observations aux rayons X sont considérées comme les plus prometteuses lorsqu'il s'agit de révéler des choses sur leur structure et divers phénomènes de haute énergie qui leur sont associés.
Il s'agit notamment des tremblements d'étoiles, des explosions thermonucléaires et des champs magnétiques les plus puissants connus dans l'Univers. Pour ce faire, NICER collectera les rayons X générés par les champs magnétiques et les pôles magnétiques de ces étoiles. C’est essentiel, car c’est aux pôles que la force des champs magnétiques d’une étoile à neutrons provoque le piégeage et la pluie de particules à la surface, ce qui produit des rayons X.
Dans les pulsars, ce sont ces champs magnétiques intenses qui font que les particules énergétiques deviennent des faisceaux de rayonnement focalisés. Ce sont ces faisceaux qui donnent leur nom aux pulsars, car ils apparaissent comme des éclairs grâce à la rotation de l’étoile (ce qui leur donne leur aspect de «phare»). Comme les physiciens l'ont observé, ces pulsations sont prévisibles et peuvent donc être utilisées de la même manière que les horloges atomiques et le système de positionnement global sont ici sur Terre.
Si l'objectif principal de NICER est la science, il offre également la possibilité de tester de nouvelles formes de technologie. Par exemple, l'instrument sera utilisé pour effectuer la toute première démonstration de navigation autonome basée sur les pulsars à rayons X. Dans le cadre de l'explorateur de station pour la technologie de chronométrage et de navigation aux rayons X (SEXTANT), l'équipe utilisera les télescopes de NICER pour détecter les faisceaux de rayons X générés par les pulsars afin d'estimer les heures d'arrivée de leurs impulsions.
L'équipe utilisera ensuite des algorithmes spécialement conçus pour créer une solution de navigation embarquée. À l'avenir, les vaisseaux spatiaux interstellaires pourraient théoriquement s'appuyer sur cela pour calculer leur emplacement de manière autonome. Cela leur permet de trouver leur chemin dans l'espace sans avoir à s'appuyer sur le Deep Space Network (DSN) de la NASA, qui est considéré comme le système de télécommunications le plus sensible au monde.
Au-delà de la navigation, le projet NICER espère également réaliser le tout premier test de viabilité des communications par rayons X (XCOM). En utilisant des rayons X pour envoyer et recevoir des données (de la même manière que nous utilisons actuellement les ondes radio), les vaisseaux spatiaux pourraient transmettre des données au taux de gigabits par seconde sur des distances interplanétaires. Une telle capacité pourrait révolutionner notre façon de communiquer avec les missions en équipage, les rover et les orbites.
Au cœur des deux démonstrations se trouve la source de rayons X modulée (MXS), que l'équipe NICER a développée pour calibrer les détecteurs de la charge utile et tester les algorithmes de navigation. Générant des rayons X avec une intensité variant rapidement (en allumant et éteignant plusieurs fois par seconde), cet appareil simulera les pulsations d'une étoile à neutrons. Comme l'explique Gendreau:
«C'est une expérience très intéressante que nous faisons sur la station spatiale. Nous avons reçu beaucoup de soutien des gens de la science et des technologies spatiales au siège de la NASA. Ils nous ont aidés à faire progresser les technologies qui rendent NICER possible ainsi que celles dont NICER fera la démonstration. La mission ouvre la voie à plusieurs niveaux. »
On espère que le MXS sera prêt à être expédié à la station l'année prochaine; à ce moment, des démonstrations de navigation et de communication pourraient commencer. Et il est prévu qu’avant le 25 juillet, qui marquera le 50e anniversaire de la découverte de Bell, l’équipe aura collecté suffisamment de données pour présenter ses conclusions lors de conférences scientifiques prévues plus tard cette année.
En cas de succès, NICER pourrait révolutionner notre compréhension du comportement des étoiles à neutrons (et du comportement de la matière dans un état super-dense). Cette connaissance pourrait également nous aider à comprendre d'autres mystères cosmologiques tels que les trous noirs. De plus, les communications et la navigation par rayons X pourraient révolutionner l'exploration spatiale et les voyages tels que nous les connaissons. En plus de fournir de meilleurs rendements des missions robotiques situées plus près de chez vous, il pourrait également permettre des missions plus lucratives dans des endroits du système solaire externe et même au-delà.
