Le laboratoire de recherche navale des États-Unis et la Fermi Large Area Telescope Collaboration ont découvert près de 300 pulsars à rayons gamma, faisant ainsi progresser la recherche sur les pulsars et contribuant aux études sur les ondes gravitationnelles et aux applications de navigation. Les résultats incluent également des informations sur les pulsars « araignées », où une étoile à neutrons interagit intensément avec son compagnon binaire.
Le Laboratoire de recherche navale américain (NRL), en collaboration avec la collaboration internationale Fermi Large Area Telescope Collaboration, a annoncé la découverte de près de 300 pulsars gamma. Cette annonce a été faite dans leur troisième catalogue de pulsars gamma, marquant une réalisation importante 15 ans après le lancement en 2008 du télescope Fermi. Au moment du lancement de Fermi, il y avait moins de dix pulsars gamma connus.
« Le travail sur cet important catalogue est en cours dans notre groupe depuis des années », a déclaré Paul Ray, Ph.D., chef de la section Astrophysique et applications des hautes énergies du LNR. « Nos scientifiques et postdoctorants ont pu à la fois découvrir et analyser le comportement temporel et les spectres de bon nombre de ces nouveaux pulsars dans le cadre de notre quête visant à approfondir notre compréhension de ces étoiles exotiques que nous pouvons utiliser comme horloges cosmiques. »
Les pulsars se forment lorsque des étoiles massives ont épuisé leur réserve de carburant et deviennent incapables de résister à l’attraction de leur propre gravité. Cela entraîne l’effondrement de l’étoile en un corps magnétisé dense et en rotation. étoile à neutrons. Leurs champs magnétiques en rotation envoient des faisceaux de rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique. Alors que ces faisceaux parcourent la Terre, le télescope à rayons gamma Fermi, très sensible, peut observer leurs impulsions d’énergie périodiques. Avec plus de 15 ans de données, Fermi a transformé le domaine de pulsar recherche.
Pulsars millisecondes et ondes gravitationnelles
« Nous avons été très enthousiasmés par le nombre de pulsars millisecondes (MSP) que nous avons pu détecter à l’aide de ces rayons gamma », a déclaré Matthew Kerr, Ph.D., astrophysicien du LNR. « Nous sommes capables d’étudier ces objets qui ont commencé comme de jeunes pulsars dans un système binaire. Comme une toupie, ils ont fini par ralentir et devenir inertes. Au cours des dernières centaines de millions d’années, leurs compagnons binaires ont déversé de la matière sur eux, provoquant une nouvelle augmentation de leur vitesse, de manière très spectaculaire et bien plus rapide qu’auparavant, « recyclant » ces pulsars en MSP. Ces MSP à grande vitesse comptent désormais parmi les chronométreurs les plus précis de la nature.
Les positions des pulsars catalogués sont affichées dans une vue descendante de la Voie Lactée. Les symboles rouges et orange indiquent des pulsars millisecondes, tandis que les symboles verts et bleus indiquent des pulsars jeunes et non recyclés. Certains pulsars radio silencieux (symboles bleus) n’ont pas de distances bien mesurées, leurs positions n’indiquent donc que la direction de ces pulsars. Crédit : Reid ; MJ ; et coll.; Centre Harvard-Smithsonian d’astrophysique
Les scientifiques utilisent ces horloges cosmiques dans des expériences appelées Pulsar Timing Arrays. En recherchant de minuscules écarts dans les heures d’arrivée des impulsions, les scientifiques ont pu rechercher des ondulations dans l’espace-temps. Ces ondulations, connues sous le nom ondes gravitationnelles, se produisent lorsque des objets très massifs, comme les pulsars, accélèrent très rapidement. De très fortes sources d’ondes gravitationnelles indiquent un crash cataclysmique d’objets denses et compacts tels que des étoiles à neutrons et des trous noirs.
Récemment, plusieurs collaborations avec des réseaux de synchronisation de pulsars, dont plusieurs chercheurs du LNR, ont publié la première preuve convaincante de l’existence d’ondes gravitationnelles à très basse fréquence, probablement issues de la fusion de trous noirs supermassifs. « Ce sont des résultats tellement passionnants », a déclaré Thankful Cromartie, Ph.D., associé de recherche au Conseil national de recherches du LNR. « Ces ondes gravitationnelles à basse fréquence nous permettent d’observer le centre des galaxies massives et de mieux comprendre comment elles se sont formées. »
Applications pratiques et recherches futures
Les résultats du réseau de synchronisation de pulsars ont également d’importantes applications pratiques. Les distorsions de l’espace-temps fixent une limite à la précision avec laquelle nous pouvons utiliser les pulsars pour la navigation et le timing critiques. Dans la navigation basée sur les pulsars, ces pulsars en rotation jouent à peu près le même rôle que GPS les satellites le font, mais nous pouvons les utiliser bien au-delà de l’orbite terrestre. « Nous savons maintenant où se situe cette limite ultime de stabilité », a déclaré le Dr Ray.
L’utilisation des capacités de détection des rayons gamma de Fermi a également un impact sur le travail des réseaux de synchronisation de pulsars. « Auparavant, une fois que nous trouvions un MSP, nous devions le confier aux radioastronomes pour qu’ils le surveillent avec d’énormes télescopes », a déclaré le Dr Kerr. « Ce que nous avons découvert, c’est que Fermi est suffisamment sensible pour contraindre ces ondes gravitationnelles et, contrairement aux ondes radio, qui sont courbées comme la lumière dans un prisme lorsqu’elles se déplacent vers la Terre, les rayons gamma se dirigent directement vers nous. Cela réduit les erreurs systémiques potentielles dans les mesures.
Pour Megan DeCesar, Ph.D., scientifique de l’Université George Mason travaillant au LNR, l’aspect le plus intrigant de ces nouveaux travaux est l’augmentation spectaculaire du nombre de pulsars « araignées ». « Les pulsars araignées portent le nom d’arachnides qui mangent leurs petits compagnons », a déclaré DeCesar. « Quelque chose de similaire peut se produire lorsqu’une étoile à neutrons et son compagnon binaire sont très proches l’un de l’autre et que le processus de « recyclage » du MSP s’emballe un peu. Le rayonnement intense et le vent de particules du pulsar rongent la surface de l’autre étoile, créant une boule de matière évaporée.
Par rapport aux observations radio, Fermi est particulièrement doué pour trouver ces « araignées » car, dans de nombreux cas, les ondes radio sont éclipsées lorsque le faisceau du pulsar passe devant les restes de l’étoile compagnon. Les rayons gamma, quant à eux, sont capables de les traverser. « Bien qu’il se puisse que les systèmes d’araignées soient également intrinsèquement plus brillants dans les rayons gamma, leur étude nous aidera à comprendre leurs origines et l’aubaine des découvertes que nous avons faites avec Fermi », a déclaré DeCesar.
Le troisième catalogue des pulsars gamma est publié dans le Journal d’astrophysique, Supplément. Cette compilation des dernières informations sur les pulsars gamma, dans sa forme cohérente, devrait s’avérer inestimable pour la communauté scientifique.
