Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein; AEI) à Hanovre a découvert que le pulsar radio J0952-0607 émet également un rayonnement gamma pulsé. J0952-0607 tourne 707 fois en une seconde et est deuxième dans la liste des étoiles à neutrons en rotation rapide. En analysant environ 8,5 ans de données du télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA, Observations radio LOFAR des deux dernières années, observations de deux grands télescopes optiques, et les données d'ondes gravitationnelles des détecteurs LIGO, l'équipe a utilisé une approche multi-messagers pour étudier en détail le système binaire du pulsar et de son compagnon léger. Leur étude publiée dans le Journal d'astrophysique montre que les systèmes de pulsars extrêmes se cachent dans les catalogues Fermi et motive de nouvelles recherches. Bien qu'étant très étendu, l'analyse soulève également de nouvelles questions sans réponse sur ce système.

Les pulsars sont les restes compacts d'explosions stellaires qui ont de forts champs magnétiques et tournent rapidement. Ils émettent un rayonnement comme un phare cosmique et peuvent être observables sous forme de pulsars radio et/ou de pulsars gamma selon leur orientation vers la Terre.

Le pulsar le plus rapide en dehors des amas globulaires

Le PSR J0952-0607 (le nom indique la position dans le ciel) a été découvert pour la première fois en 2017 par des observations radio d'une source identifiée par le télescope spatial à rayons gamma Fermi comme pouvant être un pulsar. Aucune pulsation des rayons gamma dans les données du Large Area Telescope (LAT) à bord de Fermi n'avait été détectée. Les observations avec le réseau de radiotélescopes LOFAR ont identifié une source radio pulsée et, conjointement avec les observations de télescope optique, ont permis de mesurer certaines propriétés du pulsar. Il tourne autour du centre de masse commun en 6,2 heures avec une étoile compagne qui ne pèse qu'un cinquantième de notre Soleil. Le pulsar tourne 707 fois en une seule seconde et est donc la rotation la plus rapide de notre Galaxie en dehors des environnements stellaires denses des amas globulaires.

Recherche de signaux extrêmement faibles

En utilisant cette information préalable sur le système de pulsar binaire, Lars Nieder, un doctorat étudiant à l'AEI Hanovre, a cherché à savoir si le pulsar émettait également des rayons gamma pulsés. "Cette recherche est extrêmement difficile car le télescope à rayons gamma Fermi n'a enregistré que l'équivalent d'environ 200 rayons gamma du pulsar faible au cours des 8,5 années d'observations. Pendant ce temps, le pulsar lui-même a tourné 220 milliards de fois. En d'autres termes, on n'observait qu'une seule fois sur un milliard de rotations un rayon gamma !" explique Nieder. "Pour chacun de ces rayons gamma, la recherche doit identifier exactement quand au cours de chacune des rotations de 1,4 milliseconde il a été émis."

Cela nécessite de passer au peigne fin les données avec une résolution très fine afin de ne manquer aucun signal possible. La puissance de calcul requise est énorme. La recherche très sensible de faibles pulsations de rayons gamma aurait pris 24 ans pour être menée à bien sur un seul cœur d'ordinateur. En utilisant le cluster d'ordinateurs Atlas à l'AEI Hanovre, cela s'est terminé en seulement 2 jours.

Une étrange première détection

"Notre recherche a trouvé un signal, mais quelque chose n'allait pas ! Le signal était très faible et pas tout à fait là où il était censé être. La raison :notre détection des rayons gamma de J0952-0607 avait révélé une erreur de position dans les observations initiales du télescope optique que nous avons utilisées pour cibler notre analyse. Notre découverte des pulsations gamma a révélé cette erreur, " explique Nieder. " Cette erreur a été corrigée dans la publication rapportant la découverte du pulsar radio. Une nouvelle recherche étendue de rayons gamma a fait une découverte de pulsar de rayons gamma plutôt faible, mais statistiquement significative, à la position corrigée."

Ayant découvert et confirmé l'existence du rayonnement gamma pulsé du pulsar, l'équipe est revenue aux données de Fermi et a utilisé les 8,5 années complètes d'août 2008 à janvier 2017 pour déterminer les paramètres physiques du pulsar et de son système binaire. Étant donné que le rayonnement gamma de J0952-0607 était si faible, ils ont dû améliorer leur méthode d'analyse développée précédemment pour inclure correctement toutes les inconnues.

Autre surprise :pas de pulsations gamma avant juillet 2011

La solution dérivée contenait une autre surprise, car il était impossible de détecter les pulsations de rayons gamma du pulsar dans les données d'avant juillet 2011. La raison pour laquelle le pulsar ne semble montrer des pulsations qu'après cette date est inconnue. Les variations de la quantité de rayons gamma émis pourraient être une des raisons, mais le pulsar est si faible qu'il n'a pas été possible de tester cette hypothèse avec une précision suffisante. Les changements de l'orbite du pulsar observés dans des systèmes similaires pourraient également offrir une explication, mais il n'y avait même pas un indice dans les données que cela se produisait.

Les observations optiques soulèvent d'autres questions

L'équipe a également utilisé des observations avec le télescope de nouvelle technologie de l'ESO à La Silla et le Gran Telescopio Canarias à La Palma pour examiner l'étoile compagne du pulsar. Il est très probablement verrouillé par la marée sur le pulsar comme la Lune sur la Terre, de sorte qu'un côté fait toujours face au pulsar et se réchauffe par son rayonnement. Alors que le compagnon orbite autour du centre de masse du système binaire, son côté "jour" chaud et son côté "nuit" plus froid sont visibles depuis la Terre et la luminosité et la couleur observées varient.

Ces observations créent une autre énigme. Alors que les observations radio indiquent une distance d'environ 4, 400 années-lumière au pulsar, les observations optiques impliquent une distance environ trois fois plus grande. Si le système était relativement proche de la Terre, il comporterait un compagnon haute densité extrêmement compact et inédit, tandis que de plus grandes distances sont compatibles avec les densités de compagnons pulsars similaires connus. Une explication de cet écart pourrait être l'existence d'ondes de choc dans le vent des particules du pulsar, ce qui pourrait conduire à un échauffement différent du compagnon. Davantage d'observations aux rayons gamma avec les observations Fermi LAT devraient aider à répondre à cette question.

Recherche d'ondes gravitationnelles continues

Un autre groupe de chercheurs de l'AEI Hanovre a recherché l'émission d'ondes gravitationnelles continues du pulsar à l'aide des données LIGO des première (O1) et deuxième (O2) séquences d'observation. Les pulsars peuvent émettre des ondes gravitationnelles lorsqu'ils ont de minuscules collines ou bosses. La recherche n'a détecté aucune onde gravitationnelle, ce qui signifie que la forme du pulsar doit être très proche d'une sphère parfaite avec les plus hautes bosses inférieures à une fraction de millimètre.

Étoiles à neutrons en rotation rapide

Comprendre les pulsars à rotation rapide est important car ce sont des sondes de physique extrême. La vitesse à laquelle les étoiles à neutrons peuvent tourner avant de se séparer des forces centrifuges est inconnue et dépend de la physique nucléaire inconnue. Les pulsars millisecondes comme J0952-0607 tournent si rapidement parce qu'ils ont été accélérés en accrétant la matière de leur compagnon. Ce processus est censé enterrer le champ magnétique du pulsar. Avec les observations gamma à long terme, l'équipe de recherche a montré que J0952-0607 possède l'un des dix champs magnétiques les plus bas jamais mesurés pour un pulsar, conforme aux attentes de la théorie.

"Nous allons continuer à étudier ce système avec les rayons gamma, radio, et les observatoires optiques car il y a encore des questions sans réponse à ce sujet. Cette découverte montre aussi une fois de plus que des systèmes de pulsars extrêmes se cachent dans le catalogue Fermi LAT, " dit le professeur Bruce Allen, Le doctorat de Nieder superviseur et directeur à l'AEI Hanovre. « Nous utilisons également notre projet d'informatique distribuée de science citoyenne Einstein@Home pour rechercher des systèmes de pulsars à rayons gamma binaires dans d'autres sources Fermi LAT et sommes confiants de faire des découvertes plus intéressantes à l'avenir. »