The SRG/eROSITA All-Sky Survey DR2: Cumulative X-ray catalogues from the first three surveys and multi-wavelength counterparts in the western Galactic hemisphere

Imaginez l'univers comme un gigantesque océan cosmique. Depuis des décennies, les astronomes tentent d'en cartographier les profondeurs, mais ils se sont principalement contentés d'observer la surface avec une lampe de poche qui ne voit que la lumière visible — les étoiles et les galaxies que nous pouvons voir à l'œil nu. Cependant, une immense partie de l'activité de l'univers se déroule dans une autre « couleur » de lumière appelée rayons X. Ce sont des faisceaux de haute énergie produits par les événements les plus violents et les plus énergétiques du cosmos, comme des trous noirs dévorant des étoiles, des étoiles en explosion ou des nuages de gaz surchauffés. Comme l'atmosphère terrestre bloque les rayons X, nous avons besoin de télescopes spéciaux flottant dans l'espace pour les capturer. La grande question a toujours été : combien de ces sources de rayons X existent-elles, et que font-elles ? Pour y répondre, nous avons besoin d'un télescope capable de balayer l'ensemble du ciel, et pas seulement une petite zone, et de le faire de manière répétée pour construire une image claire, un peu comme si l'on prenait de nombreuses photos à longue exposition dans une pièce sombre pour révéler des détails cachés.

Ce document traite d'une nouvelle carte massive de l'univers des rayons X, créée par un télescope appelé eROSITA, qui voyage à bord d'un engin spatial nommé Spektrum-Roentgen-Gamma (SRG). Considérez eROSITA comme un œil super-sensible et omniscient qui balaie le ciel tous les six mois depuis 2019. L'équipe derrière ce document vient de terminer l'analyse des trois premiers balayages complets du ciel (appelés eRASS:3) pour la partie occidentale de notre galaxie. Ils ont transformé les données brutes de ces balayages en un catalogue géant — un carnet d'adresses numérique — répertoriant près de deux millions de sources de rayons X. Il ne s'agit pas seulement d'une liste de noms ; c'est un inventaire détaillé qui nous indique exactement où se trouvent ces sources, quelle est leur luminosité et quel type d'objets elles sont probablement, des galaxies actives lointaines aux étoiles proches. En combinant ces découvertes en rayons X avec les données de télescopes optiques et infrarouges (en utilisant une approche de type outil multifonction), les astronomes ont pu identifier la nature réelle de la plupart de ces émetteurs de rayons X mystérieux, révélant un univers bien plus peuplé d'objets énergétiques que nous ne l'avions imaginé.

Le grand balayage des rayons X

L'histoire commence avec le télescope eROSITA, un instrument à sept yeux monté sur l'engin spatial SRG. Depuis décembre 2019, ce vaisseau spatial tourne autour d'un point de l'espace appelé L2, effectuant une rotation constante pour scanner l'ensemble du ciel. C'est comme le faisceau d'un phare balayant l'océan, mais au lieu de l'eau, il scanne le vide de l'espace à la recherche de rayons X. Tous les six mois, il complète un cercle complet, couvrant tout le ciel. Le document se concentre sur les données collectées lors des trois premiers balayages complets, connus sous les noms d'eRASS1, eRASS2 et eRASS3. En empilant ces trois relevés les uns sur les autres, les astronomes ont effectivement doublé le temps passé par le télescope à observer un point donné, rendant la carte finale beaucoup plus profonde et sensible que la première seule.

Le résultat de cet effort massif est un catalogue contenant 1 911 744 sources ponctuelles (des objets qui ressemblent à des points uniques, tels que des étoiles ou des trous noirs lointains) et 63 796 sources étendues (des objets qui ressemblent à des taches floues, comme des amas de galaxies ou des nuages de gaz). Ces sources ont été détectées dans la bande d'énergie des rayons X « mous » de 0,2 − 2,3 keV, ce qui correspond au point de sensibilité optimale du télescope. Pour donner une idée, ce nouveau catalogue a plus que doublé le nombre de sources de rayons X connues à partir du premier relevé. C'est comme si nous étions passés de la connaissance de quelques milliers d'îles dans un océan à la cartographie de près de deux millions.

Nettoyer le désordre

Créer une carte aussi vaste ne consiste pas seulement à compter des points ; il s'agit de s'assurer que ces points sont réels. L'univers est un endroit bruyant. Parfois, les détecteurs du télescope sont frappés par de minuscules roches spatiales appelées micrométéoroïdes, ce qui peut créer de faux points brillants dans les données. L'équipe a dû être très prudente pour les filtrer. Par exemple, en février 2021, un micrométéoroïde a frappé l'un des modules du télescope, endommageant plus de 6 000 pixels. L'équipe a développé une méthode ingénieuse pour ajuster les paramètres du télescope à la volée, réduisant le nombre de mauvais pixels de plus de 6 000 à moins de 300. Ils ont également dû gérer la « charge optique », où la lumière visible brillante provenant des étoiles fuit dans les détecteurs de rayons X et crée de faux signaux. En recoupant leur liste de rayons X avec des catalogues d'étoiles optiques, ils ont signalé les sources qui pourraient être de faux signaux, garantissant que la liste finale soit aussi propre que possible.

Le document exclut également explicitement l'idée que le nouveau catalogue ne soit qu'une version légèrement améliorée de l'ancien. Bien que le premier relevé (eRASS1) ait été un excellent début, les auteurs démontrent que le nouveau catalogue eRASS:3 est nettement plus profond et plus complet. Ils ont constaté que de nombreuses sources détectées lors du premier relevé n'étaient en fait que des anomalies statistiques ou du bruit, et les nouvelles données plus profondes aident à séparer les véritables émetteurs de rayons X des fantômes. Ils ont également comparé leur nouvelle liste avec d'anciens catalogues provenant d'autres télescopes, comme ROSAT et XMM-Newton, et ont constaté qu'eROSITA voit des sources que ces missions plus anciennes ne pouvaient simplement pas détecter faute de sensibilité suffisante.

Qui vit dans le quartier des rayons X ?

L'un des aspects les plus passionnants de ce document est la manière dont l'équipe a déterminé la nature réelle de ces sources de rayons X. Les rayons X seuls ne racontent pas toute l'histoire ; il faut voir à quoi ressemble l'objet en lumière visible ou infrarouge pour savoir s'il s'agit d'une étoile, d'un trou noir ou d'une galaxie. L'équipe a utilisé un algorithme de correspondance sophistiqué pour lier les sources de rayons X à leurs homologues dans les catalogues optiques et infrarouges, tels que le Legacy Survey pour DESI, Gaia et WISE.

Les résultats sont stupéfiants. Ils estiment qu'environ 88 % des 1,4 million de contreparties identifiées dans l'empreinte du Legacy Survey sont des sources extragalactiques — ce qui signifie qu'elles se trouvent en dehors de notre galaxie la Voie lactée, principalement des noyaux actifs de galaxies (AGN), qui sont des trous noirs supermassifs au centre des galaxies dévorant de la matière. Cela confirme que le ciel des rayons X est dominé par ces monstres lointains et énergétiques. Cependant, ils ont également trouvé une riche population de sources galactiques, incluant des étoiles, des binaires de rayons X (où une étoile orbite autour d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons) et des variables cataclysmiques.

Le document publie également un catalogue « dur » (hard), qui observe les rayons X de plus haute énergie (2,3–5,0 keV). Il s'agit d'une liste plus restreinte d'environ 15 000 sources, mais elle est spéciale car ces rayons X de haute énergie peuvent pénétrer la poussière et le gaz qui bloquent les rayons X plus mous, révélant des objets qui pourraient être cachés dans le relevé des bandes douces.

L'héritage de la carte

Ce travail constitue la deuxième publication de données (DR2) du relevé de l'ensemble du ciel par SRG/eROSITA. Il est important de noter que cette publication est uniquement composée de catalogues (« catalogue-only »), ce qui signifie qu'elle fournit les listes de sources et leurs propriétés, mais pas les images brutes ou les fichiers de données eux-mêmes. Les auteurs ont également mis à jour un serveur qui permet aux utilisateurs de vérifier les limites de flux supérieures (les sources les plus faibles possibles) pour n'importe quel point du ciel.

Le document conclut en soulignant que ce catalogue n'est qu'un début. Le relevé eRASS:3 a déjà doublé le contenu connu des sources de rayons X, mais la mission est conçue pour effectuer cinq balayages complets au total. La publication finale des données, prévue pour 2028, combinera ces cinq balayages, créant une carte encore plus profonde et plus uniforme. Cela permettra aux astronomes d'étudier comment ces sources évoluent dans le temps, en suivant la variabilité des trous noirs et l'évolution des amas de galaxies. Pour l'instant, ce nouveau catalogue sert de carte fondamentale, ouvrant un vaste nouvel espace de découverte pour les populations rares et transformant notre vision de l'univers de haute énergie. C'est un témoignage de ce qui arrive lorsqu'on accorde à un télescope un regard long et constant sur les recoins sombres du ciel.