Centre de vol spatial Goddard de la NASA
Certaines stars ne meurent jamais vraiment. Les pulsars sont les noyaux magnétisés morts-vivants d’étoiles massives qui ont connu leur fin dans une supernova. Ils tournent furieusement, crachant des jets de rayonnement électromagnétique depuis leurs pôles magnétiques, ce qui leur donne l’impression de clignoter régulièrement lorsqu’ils sont observés depuis la Terre.
Comme si ces zombies n’étaient pas déjà assez bizarres, le comportement de l’un d’entre eux, le pulsar PSR J1023+0038, est resté jusqu’à présent un mystère. Le PSR J1023 possède le jet de rayonnement compact habituel à ses pôles. Mais il se trouve dans un système binaire proche avec une autre étoile et, alors qu’il tourne autour de cette étoile, il a été observé en train de flamboyer intensément avant de s’atténuer rapidement à nouveau. Une équipe internationale d’astronomes a finalement fait une percée dans la compréhension de ce qui fait que le pulsar passe d’un « mode élevé » intensément lumineux à un « mode faible » plus sombre lorsqu’il enlève la matière de son étoile compagne. La destination de ce matériau a finalement expliqué pourquoi il agit de manière si erratique.
Des sommets extrêmes…
Le PSR J1023 n’est pas un pulsar ordinaire, mais un pulsar milliseconde, ce qui signifie qu’il tourne des centaines de fois par seconde. Même avant sa découverte en 2002, on pensait que les pulsars millisecondes tiraient leur vitesse de leur présence dans des systèmes binaires. Leur vitesse vient du fait qu’ils retirent la matière de leurs étoiles compagnes et l’attirent, ce qui continue de fournir plus d’énergie à l’étoile à neutrons.
L’équipe de recherche a identifié le PSR J1023 comme l’un des rares pulsars de transition en millisecondes, car il passe constamment d’une luminosité intense à une luminosité relativement faible, puis inversement. Qu’est-ce qui le fait continuer à basculer entre ses modes haut et bas ?
Le matériau que PSR J1023 retire de son étoile compagnon forme un disque d’accrétion autour du pulsar. Ce matériau, rempli de particules chargées hautement énergétiques, est attiré vers l’intérieur par la gravité du pulsar. Parfois, cela entraîne l’accumulation d’une quantité particulièrement importante de substances stellaires. Lorsqu’une plus grande boule de matière se rapproche de plus en plus du pulsar, les particules chargées de l’étoile compagnon peuvent entrer en collision avec des particules chargées dans les vents puissants du pulsar, qui réchauffent davantage la matière entrante et la poussent vers l’extérieur.
Parfois, le pulsar peut également éclater simultanément. Si tel est le cas, les jets de plasma qui jaillissent de ces éruptions propulseront également le matériau chaud et chargé dans l’espace. Les rayons X, les ultraviolets et la lumière visible sont émis par le pulsar dans un flash explosif en mode élevé.
« Nous supposons que pendant le mode haut, le flux d’accrétion est maintenu [high] par la pression de rayonnement du vent de particules provenant d’un pulsar actif propulsé par rotation », ont déclaré les chercheurs dans une étude récemment publiée dans Astronomy & Astrophysics.
…et des plus bas
Après qu’une telle quantité de matière ait été expulsée du pulsar en mode élevé, ses émissions de rayons X, d’UV et de lumière visible chutent. Le vent du pulsar s’éteint également car il n’y a plus beaucoup d’afflux de matière pour le nourrir. Même si le vent le plus faible souffle toujours à travers le disque d’accrétion et est capable d’entrer en collision avec de la matière provenant de l’étoile compagnon, provoquant des émissions, celles-ci sont loin d’être comparables à celles produites en mode élevé.
Même les sorties du jet compact qui provoquent les pulsations constantes du pulsar cessent temporairement juste après la fin du mode haut. En effet, le jet fonctionne grâce aux émissions synchrotron générées lorsque les vents du pulsar entrent en collision avec des gouttes de matière en accrétion les plus proches du pulsar lui-même. Une fois que ce matériau est projeté dans l’espace, le choc du vent se propage dans le matériau trop éloigné du pulsar pour maintenir les jets en marche pendant un certain temps.
Le pulsar, beaucoup plus faible, émet toujours des ondes radio. Les chercheurs pensent que ceux-ci proviennent principalement du jet compact, qui continue d’éjecter de la matière dans les modes haut et bas. Lorsque le jet fonctionne en mode bas, certains restes des éjectas du mode haut peuvent être observés au-dessus de ses émissions habituelles de lumière visible et de rayons X.
Comme on pouvait s’y attendre, le mode faible ne dure pas. Le cycle recommence lorsqu’un nouvel afflux de matière en provenance du disque se rapproche de l’étoile. Il remplit les espaces laissés par le plasma précédemment éjecté et, lorsqu’il affronte à nouveau les vents du pulsar, relance l’émission synchrotron qui alimente le jet compact.
Garder le doigt sur le pouls
Pour observer le PSR J1023 avec suffisamment d’attention pour comprendre la cause de ses mystérieux changements de mode, il a fallu 12 télescopes terrestres et spatiaux, dont l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), le télescope New Technology de l’ESO, le Very Large Telescope de l’ESO et le XMM- de l’ESA. Télescope à rayons X Newton. Il s’agit de la plus grande étude multi-longueurs d’onde jamais réalisée sur le PSR J1023, révélant enfin comment les matériaux entrants affectent ses vents et ses impulsions globales, ce que les études précédentes sur le pulsar n’avaient pas pu observer. Il reste cependant d’autres mystères à élucider. Les chercheurs souhaitent découvrir d’éventuelles similitudes entre les pulsars de transition millisecondes et les trous noirs.
« Les systèmes de trous noirs et [transitional millisecond pulsars] partagent des similitudes intrigantes dans leurs propriétés phénoménologiques, ce qui souligne la nécessité de recherches supplémentaires pour approfondir notre compréhension de la physique de l’accrétion dans les objets compacts », ont-ils déclaré dans la même étude.
L’équipe prédit que des phénomènes similaires pourraient se produire dans leurs disques d’accrétion, et il y a certainement eu des cas où des trous noirs présentent des poussées d’activité. Au moins, aucun d’eux ne mange de cerveau humain.
Astronomie et astrophysique, 2023. DOI : 10.1051/0004-6361/202346418