Les scientifiques ont découvert quelque chose d'étonnant.

Dans un amas de certaines des étoiles les plus massives et les plus lumineuses de notre galaxie, Environ 5, 000 années-lumière de la Terre, les astronomes ont détecté des particules accélérées par une étoile à neutrons en rotation rapide lorsqu'elle passait près de l'étoile massive sur laquelle elle orbite seulement une fois tous les 50 ans.

La découverte est extrêmement rare, selon l'astrophysicien de l'Université du Delaware, Jamie Holder, et le doctorant Tyler Williamson, qui faisaient partie de l'équipe internationale qui a documenté l'événement.

Holder a qualifié cette paire excentrique d'étoiles liées gravitationnellement de "système binaire à rayons gamma" et a comparé l'événement unique dans une vie à l'arrivée de la comète de Halley ou à l'éclipse solaire américaine de l'année dernière.

Les étoiles massives sont parmi les étoiles les plus brillantes de notre galaxie. Les étoiles à neutrons sont des étoiles extrêmement denses et énergétiques qui résultent de l'explosion d'une étoile massive.

Ce système binaire est une étoile massive avec une étoile à neutrons en orbite autour d'elle. Sur les 100 milliards d'étoiles de notre galaxie, moins de 10 sont connus pour être ce type de système.

Encore moins—seulement deux systèmes, y compris celui-ci - sont connus pour avoir une étoile à neutrons identifiée, ou pulsar, qui émet des impulsions d'ondes radio que les scientifiques peuvent mesurer. Ceci est important car il indique très précisément aux astronomes la quantité d'énergie disponible pour accélérer les particules, quelque chose que les scientifiques connaissent peu.

"Vous ne pourriez pas demander un meilleur laboratoire naturel pour étudier l'accélération des particules dans un environnement en constante évolution - à des énergies bien au-delà de tout ce que nous pouvons produire sur Terre, " dit Titulaire, professeur au Département de physique et d'astronomie de l'UD.

Le projet a été mené par une équipe de scientifiques, dont Holder et Williamson, en utilisant le réseau de télescopes VERITAS à l'observatoire Fred Lawrence Whipple en Arizona, en collaboration avec des scientifiques utilisant les télescopes MAGIC de l'observatoire Roque de los Muchachos situé à La Palma, une île des Canaries, Espagne. (VERITAS signifie Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System et MAGIC signifie Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov.)

Les chercheurs ont récemment rapporté leurs découvertes dans le Lettres de revues astrophysiques.

En espérant des feux d'artifice

La question naturelle, à beaucoup d'esprits, est pourquoi les scientifiques se soucient-ils des particules accélérées ?

"Parce que notre galaxie en regorge. Nous les appelons rayons cosmiques et ils transportent autant d'énergie que la lumière de toutes les étoiles, " dit Titulaire.

Les astronomes ont découvert il y a plus de 100 ans qu'il existait des particules accélérées, mais comment et où ces particules accélèrent reste un mystère. Les pulsars sont parmi les objets les plus extrêmes de l'univers et ils sont entourés de champs magnétiques des millions de fois plus puissants que tout ce que les scientifiques pourraient espérer construire sur Terre. Lorsqu'un pulsar rencontre de la poussière ou du gaz près d'une étoile massive, les particules à proximité accélèrent jusqu'à une vitesse proche de celle de la lumière et entrent en collision avec ce qui les entoure. Le résultat est un faisceau de lumière à haute énergie appelé rayonnement gamma ou rayons gamma.

Télescopes sophistiqués, comme ceux exploités par VERITAS et MAGIC, peuvent détecter ces rayons gamma car ils émettent un éclair bleu lorsqu'ils atteignent l'atmosphère terrestre. Alors que nos yeux ne peuvent pas voir ces éclairs de lumière parce qu'ils sont trop rapides, quelques nanosecondes seulement, ces télescopes peuvent.

Une expérience doctorale unique

Les astronomes ont découvert pour la première fois des rayons gamma provenant du pulsar dans cette paire d'étoiles inhabituelle en 2008. De la taille de Newark, Delaware, le pulsar tourne comme l'accessoire d'un mixeur de cuisine, émettant de petites impulsions de rayons gamma et d'ondes radio à chaque rotation.

En mesurant ces fréquences d'impulsions radio, les astronomes ont pu dire à quelle vitesse le pulsar se déplaçait et calculer exactement quand il serait le plus proche de l'étoile massive autour de laquelle il était en orbite. 13, 2017. C'est un voyage qui a duré 50 ans.

Les équipes VERITAS et MAGIC ont commencé à surveiller le ciel nocturne et à suivre l'orbite du pulsar en septembre 2016. Dans un premier temps, ils n'étaient même pas sûrs de voir quoi que ce soit. Mais en septembre 2017, les astronomes ont commencé à détecter une augmentation rapide du nombre de rayons gamma frappant le sommet de l'atmosphère terrestre.

Alors qu'ils surveillaient les données provenant des télescopes VERITAS, Holder et Williamson se sont rendu compte que le pulsar faisait quelque chose de différent chaque jour.

"Je me réveillais tous les matins et vérifiais si nous avions de nouvelles données, puis l'analyser aussi vite que possible, parce qu'il y avait des moments où le nombre de rayons gamma que nous voyions changeait rapidement en un jour ou deux, " dit Williamson, un doctorant de quatrième année.

Lors de l'approche la plus rapprochée entre l'étoile et le pulsar en novembre 2017, Williamson a remarqué que les télescopes VERITAS avaient enregistré pendant la nuit dix fois le nombre de rayons gamma détectés quelques jours auparavant.

"J'ai tout revérifié avant d'envoyer les données à nos collaborateurs, " dit Williamson. " Ensuite, l'un de nos partenaires, Ralph Bird à UCLA, a confirmé qu'il avait obtenu les mêmes résultats; c'était excitant."

Encore plus intéressant :ces données d'observation ne correspondaient pas à ce que les modèles prédictifs avaient prédit.

En général, Titulaire a dit, les modèles existants prédisaient qu'à mesure que le pulsar approchait de l'étoile massive, il était en orbite, le nombre de rayons gamma produits s'accélérerait lentement, connaissent une certaine volatilité, puis diminuent lentement avec le temps.

"Mais nos données enregistrées ont montré un énorme pic du nombre de rayons gamma à la place, ", a déclaré Holder. "Cela nous indique que nous devons réviser les modèles de la façon dont cette accélération des particules se produit."

Quoi de plus, selon Titulaire, alors que les astrophysiciens s'attendaient à ce que le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) enregistre ces rayons gamma, ça ne l'a pas fait. Holder a déclaré que la raison n'était pas claire, mais c'est en partie ce qui rend les résultats de VERITAS si intéressants.

Les astrophysiciens veulent savoir quelles particules sont accélérées, et quels processus les poussent à ces vitesses extrêmes, pour mieux comprendre l'Univers. Holder a déclaré que bien que les systèmes binaires à rayons gamma n'accélèrent probablement pas une grande partie des particules de notre galaxie, ils permettent aux scientifiques d'étudier le type de mécanismes d'accélération qui pourraient les produire.

Tracer un avenir prometteur

Les astronomes ne pourront revoir ce système binaire à l'œuvre qu'en 2067, lorsque les deux étoiles seront à nouveau proches l'une de l'autre. D'ici là, Williamson a plaisanté en disant qu'il pourrait bien être un professeur émérite avec du temps libre.

À l'heure actuelle, Williamson n'est pas inquiet de manquer de choses à faire. Il a passé trois mois à l'observatoire basé en Arizona plus tôt cette année, prendre des mesures, effectuer la maintenance du matériel et concevoir une télécommande pour permettre aux chercheurs d'allumer les caméras du télescope à partir d'un ordinateur à l'intérieur d'une salle de contrôle.

"C'était une excellente occasion de passer du temps avec les télescopes et d'apprendre à connaître l'instrument, " a déclaré Williamson.

Aller de l'avant, il passera le reste de ses études doctorales à passer au peigne fin et à analyser plus en détail les près de 175 heures de données collectées par les télescopes VERITAS en 2016 et 2017.

" Tyler est, sans aucun doute, l'étudiant diplômé le plus chanceux que j'aie jamais rencontré parce que cet événement qui ne se produit qu'une fois tous les 50 ans - l'une des choses les plus excitantes que nous ayons vues avec nos télescopes en une décennie - s'est produit en plein milieu de ses travaux de doctorat, " dit Titulaire.