Cette vue d'artiste montre comment les explosions nucléaires sur une étoile à neutrons alimentent les jets décollant de ses régions polaires magnétiques. Crédit : Danielle Futselaar et Nathalie Degenaar, Institut Anton Pannekoek, Université d'Amsterdam
Le télescope spatial à rayons gamma de l'ESA, Integral, a joué un rôle décisif en capturant des jets de matière expulsés dans l'espace à un tiers de la vitesse de la lumière. La matière et l'énergie ont été libérées lorsque d'énormes explosions se sont produites à la surface d'un étoile à neutrons. Cette première observation mondiale s'est avérée être « une expérience parfaite » pour explorer les jets astrophysiques de toutes sortes.
Les jets sont produits par de nombreux objets astronomiques différents, mais leur étude est difficile. Ces flux de matière sont distants et il est difficile d’y voir des caractéristiques. Cela rend extrêmement difficile le suivi de la matière se déplaçant sur toute sa longueur pour comprendre comment le jet est lancé et accéléré.
Cependant, une équipe internationale d'astronomes, dont Thomas Russell, de l'Institut national d'astrophysique de l'INAF, à Palerme, en Italie, a réalisé que certains types d'étoiles à neutrons pourraient ouvrir la voie à une nouvelle voie d'investigation.
Outre les trous noirs, les étoiles à neutrons comptent parmi les objets les plus déroutants de l’Univers. Une étoile à neutrons se forme dans les derniers instants de la vie d’une très grande étoile (dont la masse est environ huit fois supérieure à celle de notre Soleil), lorsque le combustible nucléaire contenu dans son cœur finit par s’épuiser. Dans une fin soudaine et violente, les couches externes de l'étoile sont éjectées avec une énergie monstrueuse lors d'une explosion de supernova, laissant derrière elles de spectaculaires nuages de matière interstellaire riche en poussière et en métaux lourds. Au centre du nuage (nébuleuse), le noyau stellaire dense se contracte pour former une étoile à neutrons. Un trou noir peut également se former lorsque la masse restante du noyau est supérieure à environ trois masses solaires. Crédit : ESA
Les étoiles à neutrons sont des cadavres stellaires ultra-compacts. Lorsqu'elle est en orbite avec une autre étoile, le champ gravitationnel intense de l'étoile à neutrons peut finir par extraire la matière de son étoile compagne. Une partie de cette matière accumulée est ensuite éjectée d'une manière ou d'une autre dans des jets qui s'éloignent le long de l'axe de rotation de l'étoile à neutrons, et le reste de la matière descend en spirale vers l'étoile à neutrons. Là, il s’accumule sous forme d’une couche à la surface. À mesure que de plus en plus de matière pleut sur l’étoile à neutrons, le champ gravitationnel la comprime jusqu’à ce qu’une explosion nucléaire incontrôlée soit déclenchée. Cela crée un événement cataclysmique connu sous le nom de sursaut de rayons X de type I.
L’équipe a estimé que cette libération soudaine de matière et d’énergie de la surface de l’étoile à neutrons affecterait le jet et qu’elle pourrait mesurer cette perturbation à mesure qu’elle se propage vers l’extérieur. Si tel est le cas, cela fournirait une nouvelle méthode puissante pour étudier ces événements violents et énergétiques. Nous connaissons actuellement environ 125 étoiles à neutrons qui se comportent de cette manière.
«Cela nous donne une expérience parfaite», explique Thomas. « Nous avons une très brève impulsion de courte durée de matière supplémentaire qui est projetée dans le jet et que nous pouvons suivre à mesure qu'elle descend dans le jet pour connaître sa vitesse. »
À la chasse
Il s'agit d'une mesure cruciale car une fois qu'un nombre suffisant d'étoiles à neutrons en accrétion ont été étudiées, la vitesse du jet peut révéler le mécanisme de lancement dominant et montrer si le jet est propulsé par des champs magnétiques ancrés dans le matériau en accrétion ou dans l'étoile elle-même. L’équipe a identifié deux étoiles à neutrons, appelées respectivement 4U 1728-34 et 4U 1636-536, qui présentaient un comportement d’éclatement de rayons X. Cependant, seul le 4U 1728-34 s'est avéré suffisamment brillant aux longueurs d'onde radio à l'époque pour mener l'expérience dans les détails nécessaires.
Ensuite, il y a eu un problème pratique. Alors que les explosions étaient visibles aux rayons X, l’avion n’émettait que des ondes radio. Il fallait donc coordonner les observations du radiotélescope sur Terre simultanément avec celles du satellite Integral, capable de voir en rayons X. Mais il était impossible de prédire exactement quand une de ces explosions allait avoir lieu.
« Ces sursauts se reproduisent toutes les deux heures, mais on ne peut pas prédire exactement quand ils se produiront. Il faut donc observer le système pendant longtemps avec les télescopes et espérer capter quelques sursauts », explique Jakob van den Eijnden, membre de l'équipe. Université de WarwickROYAUME-UNI.
Les observations radio ont été réalisées sur trois jours avec CSIROL'Australia Telescope Compact Array (ATCA) de , enregistrant un total d'environ 30 heures d'observation entre le 3 et le 5 avril 2021. Intégrale observée depuis l'espace. C'était la seule mission à haute énergie capable de maintenir cette longue veille. Son orbite large et allongée lui permettait de fixer l'objet céleste pendant plusieurs heures d'affilée. À la fin des observations, Integral avait capturé 14 sursauts de rayons X provenant de 4U 1728-34, dont 10 se sont produits lorsque la source était visible par l'ATCA.
Mais il y a eu une grosse surprise. « Sur la base de ce que nous avions vu précédemment avec les données radiographiques, nous pensions que l’explosion détruirait l’endroit où l’avion était décollé. Mais nous avons constaté exactement le contraire : une forte contribution au jet plutôt qu’une perturbation », explique Nathalie Degenaar, membre de l’équipe, de l’Université d’Amsterdam, aux Pays-Bas.
De toute évidence, le mécanisme du jet était plus robuste qu’on ne le pensait. Être capable de suivre la matière supplémentaire injectée dans le jet aux longueurs d'onde radio a permis à l'équipe de calculer que la matière était lancée à une vitesse incroyable de 35 à 40 % de la vitesse de la lumière.
« Jamais auparavant nous n'avions pu anticiper et observer directement comment une certaine quantité de gaz était canalisée dans un avion à réaction et accélérée dans l'espace », explique Erik Kuulkers, scientifique du projet à l'ESA.
Une nouvelle méthode pour étudier les jets
Ayant maintenant prouvé que cela est possible, cette technique permettra aux astronomes d’étudier beaucoup plus d’étoiles à neutrons émettant des rayons X. Cela les aidera à comprendre et à relier le lancement de jets aux caractéristiques spécifiques des étoiles à neutrons, telles que leur vitesse de rotation et la quantité de gaz tombant sur leur surface. Pour ceux qui étudient de tels phénomènes, ce sont là des questions urgentes. Y répondre aura un impact sur les études au-delà des étoiles à neutrons, car les jets sont créés par de nombreux objets astronomiques.
Des étoiles nouvellement formées aux trous noirs supermassifs au centre des galaxies, des jets peuvent également être produits par des événements cataclysmiques tels que des explosions de supernova et des sursauts gamma. Ils jouent un rôle important dans tout l’Univers, depuis le transport d’éléments exotiques synthétisés lors d’explosions cosmiques vers l’espace interstellaire jusqu’au réchauffement des nuages de gaz environnants qui modifieront la manière et l’endroit où de nouvelles étoiles peuvent se former.
Parce que l’on pense que tous les jets astrophysiques sont lancés de manière similaire, notamment par l’interaction de la matière avec les champs magnétiques des objets célestes en rotation, les nouveaux résultats auront une large applicabilité dans de nombreuses études du cosmos. « Ce résultat ouvre une toute nouvelle fenêtre pour comprendre comment les jets astrophysiques sont alimentés, dans les étoiles à neutrons et également dans d'autres objets astronomiques producteurs de jets », explique Erik.
