Les chercheurs ont découvert une loi d’échelle universelle dans les étoiles à neutrons, y compris les magnétars, qui pourrait expliquer les mystérieux sursauts radio rapides (FRB). En étudiant la sous-structure de leurs émissions radio, ils ont trouvé un point commun dans leurs périodes de rotation, améliorant ainsi notre compréhension de ces phénomènes célestes.
Une relation universelle pour les pulsars, les magnétars et les sursauts radio potentiellement rapides.
Une équipe de recherche internationale dirigée par Michael Kramer et Kuo Liu de l’Institut Max Planck de radioastronomie de Bonn, en Allemagne, a étudié un rare espèces d’étoiles ultra-denses, appelées magnétars, pour découvrir une loi sous-jacente qui semble s’appliquer universellement à une gamme d’objets connus sous le nom d’étoiles à neutrons. Cette loi donne un aperçu de la façon dont ces sources produisent des émissions radio et peut fournir un lien avec les mystérieux éclairs de lumière radio, les Fast Radio Bursts, qui proviennent du cosmos lointain.
Les résultats sont publiés dans la revue Astronomie naturelle.
Figure 1 : Impression artistique d’un magnétar, où une étoile à neutrons émet une lumière radio alimentée par l’énergie stockée dans le champ magnétique ultra-puissant, provoquant des explosions qui comptent parmi les événements les plus puissants observés dans l’Univers. Crédit : © Michael Kramer / MPIfR
Comprendre les étoiles à neutrons
Les étoiles à neutrons sont les noyaux effondrés d’étoiles massives, concentrant jusqu’à deux fois la masse du soleil dans une sphère de moins de 25 km (15 miles) de diamètre. En conséquence, la matière y est la plus dense de l’Univers observable, transformant les électrons et les protons en neutrons, d’où son nom. Plus de 3 000 étoiles à neutrons peuvent être observées sous forme de pulsars radio, lorsqu’elles émettent un faisceau radio visible sous la forme d’un signal pulsé depuis la Terre, lorsque le mouvement rotatif pulsar dirige sa lumière vers nos télescopes.
Magnétars et leurs caractéristiques uniques
Le champ magnétique des pulsars est déjà mille milliards de fois plus fort que le champ magnétique de la Terre, mais il existe un petit groupe d’étoiles à neutrons qui ont des champs magnétiques encore 1000 fois plus forts ! Ce sont ce qu’on appelle les magnétars.
Sur la trentaine de magnétars connus, six émettent également des émissions radio, au moins occasionnellement. Il a été suggéré que les magnétars extragalactiques seraient à l’origine des sursauts radio rapides (FRB). Afin d’étudier ce lien, des chercheurs de l’Institut Max Planck de radioastronomie (MPIfR), avec l’aide de collègues de l’Université de Manchester, ont inspecté en détail les impulsions individuelles des magnétars et y ont détecté une sous-structure. Il s’avère qu’une structure d’impulsion similaire a également été observée dans les pulsars, les pulsars millisecondes à rotation rapide, et dans d’autres étoile à neutrons sources connues sous le nom de transitoires radio rotatifs.
Découverte de la loi de mise à l’échelle universelle
À leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que l’échelle de temps des magnétars et celle des autres types d’étoiles à neutrons suivent toutes la même relation universelle, s’adaptant exactement à la période de rotation. Le fait qu’une étoile à neutrons avec une période de rotation inférieure à quelques millisecondes et une autre avec une période de près de 100 secondes se comportent comme des magnétars suggère que l’origine intrinsèque de la structure des sous-impulsions doit être la même pour toutes les étoiles à neutrons radio-fortes. Il révèle des informations sur le plasma processus responsable de l’émission radio elle-même, et il offre la possibilité d’interpréter des structures similaires observées dans les FRB comme le résultat d’une période de rotation correspondante.
Points de vue de l’équipe de recherche
« Lorsque nous avons décidé de comparer l’émission du magnétar avec celle des FRB, nous nous attendions à des similitudes », rappelle Michael Kramer, premier auteur de l’article et directeur du MPIfR. « Ce à quoi nous ne nous attendions pas, c’est que toutes les étoiles à neutrons radioélectriques partagent cette échelle universelle. »
« Nous nous attendons à ce que les magnétars soient alimentés par l’énergie du champ magnétique, tandis que les autres sont alimentés par leur énergie de rotation », complète Kuo Liu. « Certains sont très vieux, d’autres très jeunes, et pourtant tous semblent suivre cette loi. »
Radiotélescope Effelsberg de 100 m. Crédit : © Raimond Spekking (CC BY-SA 4.0)
Gregory Desvignes décrit l’expérience : « Nous avons observé les magnétars avec le radiotélescope de 100 m à Effelsberg et comparé nos résultats également aux données d’archives, car les magnétars n’émettent pas d’émission radio en permanence. »
« Comme l’émission radio du magnétar n’est pas toujours présente, il faut être flexible et réagir rapidement, ce qui est possible avec des télescopes comme celui d’Effelsberg », confirme Ramesh Karuppusamy.
Connexion des FRB et des magnétars
Pour Ben Stappers, co-auteur de l’étude, l’aspect le plus excitant du résultat est la connexion possible avec les FRB : « Si au moins certains FRB proviennent de magnétars, l’échelle de temps de la sous-structure dans le sursaut pourrait alors nous indiquer la période de rotation. de la source magnétar sous-jacente. Si nous trouvons cette périodicité dans les données, ce serait une étape importante dans l’explication de ce type de FRB en tant que sources radio.
« Avec ces informations, la recherche est lancée ! conclut Michael Kramer.
Informations Complémentaires
Les magnétars font partie des étoiles à neutrons les plus énergétiques, attribuées à leurs champs magnétiques extrêmement élevés. Sur les trente magnétars découverts jusqu’à présent, seuls six présentent des émissions radio. Récemment, l’intérêt des chercheurs pour leurs propriétés a considérablement augmenté en raison de leur lien possible avec les sursauts radio rapides (FRB). Les FRB sont des rafales d’émission radio d’une milliseconde générées par des sources extragalactiques. Bien que l’origine de ces sursauts radio n’ait pas été comprise, les magnétars seraient l’une des sources possibles de FRB.
Une sous-structure à émission concentrée de courte durée a été détectée dans le signal radio des pulsars peu après leur première découverte. En règle générale, la sous-structure a une quasi-périodicité et une largeur caractéristiques, qui s’adaptent toutes deux à la période de rotation du pulsar. Cette relation est établie dans les pulsars canoniques depuis des décennies et étendue à la population de pulsars millisecondes ces dernières années. Très récemment, le même type de « micro-impulsion » de courte durée a également été observé dans certains FRB, indiquant la présence d’un processus d’émission sous-jacent similaire dans les deux scénarios.
La recherche a utilisé les observations des six magnétars radio-forts réalisées par le télescope Effelsberg de 100 m dans la bande CX (4-8 GHz) et par quelques autres radiotélescopes de classe 100 m dans le monde.
Les auteurs de l’article sont Michael Kramer, Kuo Liu, Gregory Desvignes, Ramesh Karuppusamy et Ben W. Stappers. Les quatre premiers auteurs sont tous affiliés à l’Institut Max Planck de radioastronomie.
