Des astrophysiciens ont étudié un pulsar en train de "rajeunir" dans une galaxie voisine

Mercredi, 26 avril 2017

Des scientifiques français de l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, IRAP (CNRS/Université de Toulouse Paul Sabatier) ont publié les résultats d'une étude sur un pulsar unique ultra-lent XB091D. On estime que cette étoile à neutrons a capturé une étoile qualifiée de compagne, il y a seulement un million d'années et, depuis lors, elle retrouve graduellement sa rotation rapide initiale. Le jeune pulsar est situé dans l'un des plus anciens amas globulaires de la galaxie d'Andromède, ce qui démontre que cet amas était autrefois une galaxie naine.


Le plus lent pulsar à rayons X a été découvert dans un amas d'étoiles de la galaxie d'Andromède. C'est une étoile à neutrons de petite taille mais très dense qui capture le gaz de son étoile compagne. Le gaz tombe en spirale sur le pulsar et forme un point chaud et brillant sur sa surface. La période de rotation de l'étoile à neutrons est de 1,2 secondes, ce qui crée un effet-phare. Crédits : A. Zolotov.

Les jeunes étoiles massives meurent, en explosant comme des supernovae brillantes. Dans ce processus, les couches externes de leur matière sont rejetées et le noyau se rétrécit, devenant habituellement une étoile neutronique compacte et superdense. Fortement magnétisés, elles tournent rapidement, faisant des centaines de tours par seconde, mais elles finissent par perdre leur énergie de rotation et par ralentir, émettant alors des faisceaux de particules étroits. Elles émettent un rayonnement radiophonique ciblé qui atteint périodiquement la Terre, créant l'effet d'une source de pulsation régulière avec une période d’une milliseconde généralement.

Quand le pulsar rencontre une étoile ordinaire, il rajeunit et accélère à nouveau sa rotation. Après avoir formé avec elle un système binaire, l'étoile à neutrons commence à attirer de la matière en provenance de l'étoile ce qui forme un disque d’accrétion très chaud autour d’elle. Le disque gazeux se trouvant à côté de l’étoile à neutrons est déchiré par son champ magnétique, de sorte que la matière tombe sur elle, formant un «point chaud» – la température de ce point peut atteindre des millions de degrés et émet des rayons X. L’étoile à neutrons rotative peut alors être considérée comme un pulsar de rayons X pareil à une balise, alors que la matière qui continue de tomber sur elle donne une impulsion supplémentaire, ce qui accélère la rotation.

Alors en quelques centaines de milliers d'années, ce qui ne représente qu’un instant pour l'Univers, l'ancien pulsar, dont la rotation avait déjà ralenti à un seul tour en quelques secondes, peut à nouveau tourner mille fois plus vite. Ce phénomène rare a été observé par une équipe d'astrophysiciens de l'IRAP, en collaboration avec des scientifiques d'Italie et de Russie. Le pulsar à rayons X appelé XB091D a été découvert au début de son "rajeunissement" alors que sa rotation était la plus lente de tous les pulsars connus à ce jour. Cette étoile à neutrons effectuait sa rotation en 1,2 seconde ce qui est plus de dix fois plus lent que le record précédent. Selon les scientifiques, l'accélération de la rotation du pulsar a commencé il y a moins d'un million d'années.

La découverte a été faite en utilisant les observations recueillies par l'observatoire spatial XMM-Newton entre 2000 et 2013 et combinées par des astronomes de l’IRAP dans une base de données en ligne. L'accès à l'information sur environ 50 milliards de photons X a déjà permis aux scientifiques de différents pays de découvrir un certain nombre d'objets intéressants précédemment inaperçus. Parmi eux se trouvait le pulsar XB091D, qui a également été remarqué par un autre groupe d'astronomes italiens qui ont publié leurs résultats il y a plusieurs mois. XB091D n'est que le deuxième pulsar détecté en dehors de notre Galaxie et ses galaxies satellites les plus proches. Par la suite, deux autres pulsars de ce genre ont été détectés ultérieurement en utilisant le même catalogue en ligne.


"Les détecteurs sur le satellite XMM-Newton ne captent qu’un seul photon de ce pulsar toutes les cinq secondes. Par conséquent, la recherche de pulsars parmi les données XMM-Newton peut être comparée à la recherche d'une aiguille dans une botte de foin", explique Ivan Zolotukhin. En fait, pour cette découverte, nous avons dû créer des outils mathématiques complètement nouveaux qui nous ont permis de rechercher et d'extraire le signal périodique. En théorie, il existe de nombreuses applications pour cette méthode, y compris en dehors de l'astronomie. "

Sur la base de trente-huit observations de XMM-Newton, les astronomes ont réussi à caractériser en détail le système XB091D. C’est un pulsar à rayons X d'environ 1 million d'années, le compagnon de cette étoile à neutrons est une vieille étoile de taille modérée (environ quatre cinquièmes de la masse du Soleil). Le système binaire lui-même a une période de rotation de 30,5 heures, et l'étoile à neutrons tourne une fois sur son axe toutes les 1,2 secondes. Dans environ 50 mille ans, il accélèrera suffisamment sa rotation pour se transformer en un pulsar milliseconde ordinaire.


Cependant, ce ne sont pas seulement des paramètres orbitaux inhabituels que les astronomes ont pu observer, mais également l’endroit où se trouve XB091D. Les auteurs ont montré que XB091D est situé dans la galaxie voisine Andromède à 2,5 millions d'années-lumière, parmi les étoiles de l’amas globulaire B091D extrêmement dense, où dans une rayon de seulement 90 années-lumière, il y a plus d’un million de vieilles étoiles ayant un faible rayonnement. L’âge de l’amas globulaire lui-même est estimé à 12 milliards d'années, de sorte qu'aucune supernova récente n’aurait pu y donner naissance à un pulsar. 

"Dans notre Galaxie, aucun pulsar à rayons X si lent n’a jamais été observé dans cent cinquante amas globulaires connus, car leurs noyaux ne sont pas ni assez gros ni assez denses pour former des étoiles binaires proches à un taux suffisamment élevé", commente Ivan Zolotukhin.

Cela indique que le noyau de l’amas B091D, avec une composition extrêmement dense d'étoiles dans le XB091D, est beaucoup plus grand que celui d’un amas habituel. Donc, nous avons affaire à un objet rare de plus grande taille caractérisé par le résidu dense d'une petite galaxie absorbé auparavant par la galaxie Andromède. La densité des étoiles ici est d'environ dix millions de fois plus élevée que dans les environs du Soleil et cette région s’étend à 2,5 années-lumière. 

Selon les scientifiques, c'est l’environnement d’étoiles de haute densité au sein de l’amas globulaire B091D qui a permis à une étoile de neutrons de capturer un compagnon il y a environ un million d'années et de commencer le processus d'accélération et de «rajeunissement».

 

Pour en savoir plus: 
Source(s): 

Ivan Yu. Zolotukhin, Matteo Bachetti, Nicola Sartore, Igor V. Chilingarian, Natalie A. Webb, The Slowest Spinning X-Ray Pulsar in an Extragalactic Globilar ClusterThe Astrophysical Journal, 25 avril 2017 

L'étude XB091D a été menée conjointement avec les astronomes de l'Observatoire de Cagliari (Italie) et de l'Université d'État de Moscou (Russie). Le financement partiel a été fourni par le Projet International de Coopération Scientifique (PICS) entre le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et Fondation Russe pour la Recherche Fondamentale (RFBR).

Ivan Yu. Zolotukhin, Matteo Bachetti, Nicola Sartore, Igor V. Chilingarian, Natalie A. Webb, The Slowest Spinning X-Ray Pulsar in an Extragalactic Globilar Cluster, The Astrophysical Journal, 25 avril 2017 

 

Contact(s):
  • Ivan Zolotukhin, IRAP (CNRS/Université Paul Sabatier-Toulouse III)
    ivan [dot] zolotukhin [at] irap [dot] omp [dot] eu, 05 61 55 75 32
  • Nathalie Webb, IRAP (CNRS/Université Paul Sabatier-Toulouse III)
    natalie [dot] webb [at] irap [dot] omp [dot] eu, 05 61 55 75 70

La reprise des actualités du site est autorisée avec la mention "Source : Actualités du CNRS-INSU" et un lien pointant sur la page correspondante.