La majorité des 3400 pulsars connus sont « vus » en ondes radio, et se trouvent dans la Voie Lactée. Les 340 pulsars vus en gamma ont tous en commun d’être parmi les 10 à 15% des pulsars les plus puissants.
Une équipe internationale pilotée par des chercheurs français, dont ceux du DAp, publie le 28 novembre 2023 dans l’Astrophysical Journal une compilation de 340 pulsars vus en rayons gamma (30 MeV – 30 GeV) avec le télescope spatial LAT sur le satellite Fermi de la NASA.
Avant la mise sur orbite de Fermi en 2008, seulement 11 pulsars étaient connus en rayons gamma. Ce nouveau catalogue réunit la totalité des caractéristiques de tous les pulsars gamma connus. Il contient une richesse d’information sur les mécanismes, mal connus aujourd’hui, de comment se génèrent les faisceaux des pulsars. Cette mine d’informations centralisées favorise l’exploration de nouvelles pistes pour les théoriciens qui essaient de comprendre ces phénomènes.
Astrophysical Journal Supplement 2023, Smith et al, The Third Fermi Large Area Telescope Catalog of Gamma-ray Pulsars
Explore the Fermi Gamma-Ray Pulsar Catalog!
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Les contributions françaises à ce catalogue sont nombreuses et essentielles :
- les chercheurs du DAp ont fourni la caractérisation spectrale de tous les pulsars, à partir du catalogue général des sources LAT, et contribué à l’estimation de leurs distances.
- Le LLR à l’Ecole Polytechnique a contribué à l’optimisation de la recherche du signal pulsé ;
- bon nombre des observations et analyses radio sont assurées par l’équipe du LPC2E-Orléans autour du grand radiotélescope de Nançay ;
- et enfin la centralisation et la coordination de l’effort émane du LAB et du LP2i à Bordeaux.
Le catalogue provient d’observations et d’analyses multiples, étalées sur une vingtaine d’années, d’un réseau mondial de scientifiques.
- une dizaine de radiotélescopes effectuent des mesures régulières de milliers de pulsars en permanence ;
- d’autres radioastronomes se sont dévoués à chercher de nouveaux pulsars radio dans des sources de rayons gamma découvertes par le LAT ;
- d’autres chercheurs ont mobilisé des millions d’heures de calcul informatique pour trouver des pulsars sans contrepartie radio en cherchant une périodicité dans les temps d’arrivée des photons gamma enregistrés par le LAT.
Qu’est ce qu’un pulsar ?
À la fin de la vie d’une étoile massive, la transformation subite de son cœur en neutrons provoque une explosion en supernova qui détruit l’étoile tout en donnant naissance à un pulsar. Un pulsar est une étoile à neutrons qui tourne rapidement sur elle-même, jusqu’à 700 tours par seconde. Sa masse est 1,2 à 2,2 fois la masse du Soleil, mais avec un diamètre de seulement 25 km. Le pulsar étant fortement magnétisé, la rotation du champ magnétique crée un champ électrique capable d’accélérer des particules. Ces particules émettent des faisceaux de rayonnement radio et, pour les plus puissants, gamma. A l’image d’un phare marin, on voit des pulsations quand un des faisceaux balaie la Terre.
Le catalogue entier des pulsars
La majorité des 3400 pulsars connus (10x plus qu’en gamma) sont « vus » en ondes radio, et se trouvent dans la Voie Lactée. On les classe par la puissance dégagée par leur ralentissement, qui va jusqu’à cent mille fois la puissance rayonnée par notre Soleil. Les 10% de pulsars vus en gamma ont tous en commun d’être parmi les 10 à 15% des pulsars les plus puissants.
Les pulsars vus en gamma se divisent en deux groupes distincts :
- les plus jeunes, ayant d’un millier à un million d’années depuis la naissance en supernova de l’étoile à neutrons,
- et les plus anciens, des milliers de fois plus âgés. Ces pulsars « extrêmes » rayonnent en gamma pour la plupart.
Les pulsars anciens sont, paradoxalement, ceux qui tournent le plus rapidement. Une étoile de faible masse en orbite autour d’une étoile à neutrons peut accélérer la rotation de cette dernière en lui transférant de la matière. Ces pulsars milliseconde, MSPs, tournent sur eux-mêmes en quelques millièmes de seconde – dans la Figure ci dessus, les MSPs constituent le nuage de points en bas et à gauche. « Avant Fermi on ignorait si les MSPs étaient visibles aux hautes énergies, souligne Lucas Guillemot, astronome-adjoint au LPC2E (Orléans). Finalement, la moitié de nos découvertes sont des MSPs, d’une variété de sous-catégories qui permettent d’aborder une gamme de questions scientifiques. En plus de leur intérêt intrinsèque, les pulsars sont des outils qui permettent une variété extraordinaire d’études ».
Jean Ballet du DAp poursuit « qu’il est très difficile de trouver les pulsations dans des MSPs sans l’aide de la radio. Les sources gamma détectées mais inconnues pourraient encore receler des centaines de MSPs !«
Deux exemples d’applications des pulsars anciens:
- La masse des étoiles à neutrons – Une centaine des MSPs gamma sont dans un système binaire avec une autre étoile, avec des orbites rapides (heures, ou jours). Pour la moitié, le rayonnement du pulsar fait évaporer l’étoile sous nos yeux, en soi une découverte majeure. Pour 7 de ces derniers systèmes, le plan de l’orbite pulsar-étoile coïncide avec la ligne de visée depuis la Terre, révélé par le fait que nous voyons des éclipses régulières des pulsations par l’étoile compagne. Armée ainsi de l’inclinaison des orbites, la mécanique newtonienne donne les masses. Or, la masse maximale d’une étoile à neutrons dépend directement de détails inconnus de la force nucléaire, et ces mesures affinent ainsi la maîtrise de la physique subatomique.
- Les ondes gravitationnelles de très basse fréquence (nHz) – Un autre ensemble de MSPs gamma contraste avec le précédent par sa stabilité. Ces MSPs sont les horloges naturelles les plus précises connues. Des radioastronomes du monde entier ont récemment exploité cette catégorie de pulsars pour mesurer l’intensité moyenne des ondes gravitationnelles émises par des paires de trous noirs supermassifs au cœur de galaxies lointaines. Nos mesures en gamma fournissent des contraintes utiles et pourront confirmer les mesures radio d’ici cinq ans, confirmation importante au vu de la complexité des mesures radio.
Les pulsars jeunes se trouvent souvent dans les vestiges de supernova, dans des zones complexes de la Voie Lactée. Ils sont entourés d’une nébuleuse (qui émet également des gamma) créée par leurs vents d’électrons et positrons accélérés. Nés dans des explosions violentes, ils sont turbulents. Le catalogue de pulsars fournit un aperçu de l’évolution de la turbulence de la jeunesse vers la stabilité des vieilles étoiles, et des différentes étapes tout au long de leurs vies.
Animation du catalogue de pulsars récoltés en rayons gamma. © NASA (27.11.2023)
Contacts DAp: Jean BALLET, Isabelle GRENIER
article: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acee67
autres actualités:
https://www.insu.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/catalogue-de-300-pulsars-recoltes-en-rayons-gamma
https://www.aei.mpg.de/1083085/nasa-s-fermi-mission-nets-nearly-300-gamma-ray-pulsars-and-counting