Image radio du jet en précession en forme de S lancé par l'étoile à neutrons Circinus X-1. Le Cir X-1 lui-même (au centre de l'image) et une source en arrière-plan ont été soustraits de l'image pour rendre la forme en S plus claire. Les jets sont des flux rapides et étroits de matière sortant de Cir X-1. La taille des jets par rapport au ciel est la même que celle d'une pièce de monnaie vue à 100 mètres de distance, mais leur taille réelle est supérieure à cinq années-lumière. Crédit : Fraser Cowie
Pour la première fois, des astronomes ont capturé une image d'un étoile à neutrons émettant un jet en forme de S ressemblant à un arroseur de jardin dans le système binaire Circinus X-1, situé à plus de 30 000 années-lumière.
Ce phénomène, similaire à la précession observée dans les trous noirs, illustre le changement de direction du jet sous l'effet de l'attraction gravitationnelle d'un disque de gaz chaud. La découverte a été réalisée grâce au radiotélescope MeerKAT et les résultats apportent un éclairage sur la dynamique des étoiles à neutrons et la mécanique du lancement des jets.
Un étrange jet ressemblant à un arroseur de jardin provenant d'une étoile à neutrons a été photographié pour la première fois.
La structure en forme de S est créée lorsque le jet change de direction en raison de l'oscillation du disque de gaz chaud autour de l'étoile – un processus appelé précession, qui a été observé avec les trous noirs mais, jusqu'à présent, jamais avec les étoiles à neutrons.
Animation des chocs terminaux en mouvement de Circinus-1. Il s'agit de régions où le jet percute violemment la matière environnante, provoquant une onde de choc se déplaçant à une fraction significative de la vitesse de la lumière. Crédit : Fraser Cowie
Phénomènes cosmiques dans Circinus X-1
Cet objet particulier se trouve dans le système binaire Circinus X-1, à plus de 30 000 années-lumière de la Terre, et s'est formé à partir du noyau d'une étoile supergéante massive qui s'est effondrée à peu près au même moment où Stonehenge a été construit.
Sa densité est telle qu’une cuillère à café de sa matière pèse autant que le mont Everest.
Les systèmes binaires sont constitués de deux étoiles liées par la gravité. Dans le cas de Circinus X-1, l'une d'elles est une étoile à neutrons.
Les étoiles à neutrons et les trous noirs sont des monstres cosmologiques qui se forment lorsque les plus grandes étoiles de l’Univers meurent et s’effondrent sous leur propre gravité.
Cependant, ces derniers sont considérablement plus massifs et ne peuvent être détectés que grâce à leurs effets gravitationnels, tandis que les premiers peuvent être observés directement malgré leur densité.
Ils font partie des objets les plus extrêmes de l’Univers et leur intérieur est presque entièrement constitué de neutrons.
Image radio du télescope MeerKAT montrant Circinus X-1 au centre, dans le reste sphérique de la supernova dans laquelle il est né. Les ondes de choc provoquées par les jets sont visibles au-dessus et au-dessous de Cir X-1, et la structure en forme de S des jets est quelque peu masquée par une source lumineuse en arrière-plan. Crédit : Fraser Cowie
Observations avec MeerKAT
Le jet émanant de l'étoile à neutrons a été repéré par une équipe d'astronomes Université d'Oxfordqui a utilisé MeerKAT — un radiotélescope en Afrique du Sud — pour créer les images les plus détaillées et à haute résolution de Circinus X-1.
Les images, qui ont été présentées lors de la réunion nationale d'astronomie de cette semaine à l'Université de Hull, incluent la toute première image d'un jet en forme de S provenant d'une étoile à neutrons confirmée – une avancée qui pourrait aider à démêler la physique extrême derrière le phénomène astronomique.
Le chercheur principal Fraser Cowie a déclaré qu'il existait un autre système connu pour ses jets en forme de S, appelé SS433, mais des résultats récents suggèrent que l'objet est probablement un trou noir.
« Cette image est la première fois que nous voyons une preuve solide de l’existence d’un jet en précession provenant d’une étoile à neutrons confirmée », a-t-il déclaré.
« Cette preuve provient à la fois de la forme symétrique en S de l'émetteur radio plasma dans les jets et à partir de l'onde de choc rapide et large, qui ne peut être produite que par un jet changeant de direction.
« Cela fournira des informations précieuses sur la physique extrême à l’origine du lancement du jet, un phénomène qui n’est pas encore bien compris. »
Accrétion et dynamique des jets
L'énorme densité de l'étoile à neutrons crée une forte force de gravité qui arrache le gaz de l'étoile compagnon, formant un disque de gaz chaud autour d'elle qui descend en spirale vers sa surface.
Ce processus, appelé accrétion, libère d’énormes quantités d’énergie par seconde, avec une puissance supérieure à celle d’un million de soleils. Une partie de cette énergie alimente des jets – des faisceaux étroits de matière s’échappant du système binaire et voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière.
Les récentes améliorations apportées au télescope MeerKAT ont permis d'obtenir une excellente sensibilité et des images à plus haute résolution. Grâce à ces améliorations, l'équipe a pu observer clairement une structure en forme de S, similaire à celle de l'eau pulvérisée par un arroseur de jardin, dans le jet du Circinus X-1.
Les chercheurs ont également découvert des chocs terminaux mobiles, les premiers enregistrés à partir d'un binaire à rayons X. Il s'agit de régions où le jet percute violemment la matière environnante, provoquant une onde de choc.
L'équipe de Cowie a mesuré les ondes se déplaçant à environ 10 pour cent de la vitesse de la lumière, confirmant qu'elles étaient causées par le jet se déplaçant rapidement et non par quelque chose de plus lent comme un vent de matière provenant des étoiles.
« Le fait que ces ondes de choc s’étendent sur un grand angle concorde avec notre modèle », a déclaré Cowie. « Nous disposons donc de deux éléments de preuve solides indiquant que le jet d’étoiles à neutrons est en précession. »
Mesurer la vitesse des ondes de choc aidera également les astronomes à comprendre de quoi est composé le jet qui les provoque.
Les ondes de choc agissent efficacement comme des accélérateurs de particules dans l’espace – produisant des rayons cosmiques à haute énergie – et l’énergie maximale des particules qui peuvent être accélérées dépend de leur vitesse.
Orientations futures de la recherche
« Circus X-1 est l’un des objets les plus brillants du ciel à rayons X et est étudié depuis plus d’un demi-siècle », a déclaré Cowie. « Mais malgré cela, il reste l’un des systèmes les plus énigmatiques que nous connaissions. »
« Plusieurs aspects de son comportement ne sont pas bien expliqués, il est donc très gratifiant de contribuer à apporter un nouvel éclairage sur ce système, en s'appuyant sur 50 ans de travail d'autres personnes. »
Il a ajouté : « Les prochaines étapes consisteront à continuer de surveiller les jets et à voir s’ils évoluent au fil du temps comme nous le prévoyons.
« Cela nous permettra de mesurer plus précisément leurs propriétés et de continuer à en apprendre davantage sur cet objet déroutant. »
Les recherches ont été réalisées dans le cadre des projets X-KAT et ThunderKAT sur le télescope MeerKAT exploité par l'Observatoire de radioastronomie sud-africain (SARAO). Les observations ont été réalisées à l'aide des récepteurs en bande S récemment installés fournis par l'Institut Max-Planck (MPG).
