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    Le système binaire de rayons gamma le plus brillant de la galaxie pourrait être alimenté par un magnétar

    Une impression du système binaire gamma LS 5039. Une étoile à neutrons (à gauche) et son massif, étoile compagne (à droite). L'équipe de recherche suggère que l'étoile à neutrons au cœur de LS 5039 possède un champ magnétique ultra-fort, et est sans doute un magnétar. Le champ accélère les particules de haute énergie à l'intérieur de la région en forme d'arc, émettant ainsi des rayons gamma qui caractérisent le système binaire de rayons gamma. Crédit :Kavli IPMU

    Une équipe de chercheurs dirigée par des membres de l'Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l'univers (Kavli IPMU) a analysé les données précédemment collectées pour déduire la véritable nature d'un objet compact, qui s'avère être un magnétar en rotation, un type d'étoile à neutrons avec un champ magnétique extrêmement puissant, en orbite dans le LS 5039, le système binaire de rayons gamma le plus brillant de la Galaxie.

    Y compris l'ancien étudiant diplômé Hiroki Yoneda, Scientifique principal Kazuo Makishima et chercheur principal Tadayuki Takahashi à l'IMPU de Kavli, l'équipe suggère également que le processus d'accélération des particules connu pour se produire dans LS 5039 est causé par des interactions entre les vents stellaires denses de son étoile massive primaire, et les champs magnétiques ultra-forts du magnétar en rotation.

    Les binaires gamma sont un système de étoiles de haute énergie et étoiles compactes. Ils n'ont été découverts que récemment, en 2004, lorsque les observations de rayons gamma de très haute énergie dans la bande des téraélectronvolts (TeV) à partir de régions suffisamment grandes du ciel sont devenues possibles. Vu avec la lumière visible, les binaires gamma apparaissent sous la forme d'étoiles brillantes blanc bleuâtre, et ne peuvent être distingués de tout autre système binaire hébergeant une étoile massive. Cependant, lorsqu'il est observé avec des rayons X et des rayons gamma, leurs propriétés sont radicalement différentes de celles des autres binaires. Dans ces bandes d'énergie, les systèmes binaires ordinaires sont complètement invisibles, mais les binaires gamma produisent une émission non thermique intense, et leur intensité semble augmenter et diminuer selon leurs périodes orbitales de plusieurs jours à plusieurs années.

    Une fois les binaires gamma établis en tant que nouvelle classe astrophysique, il a été rapidement reconnu qu'un mécanisme d'accélération extrêmement efficace devait opérer en eux. Alors que l'accélération des particules TeV nécessite des dizaines d'années dans les restes de supernova, qui sont des accélérateurs cosmiques renommés, Les binaires gamma augmentent l'énergie des électrons au-delà de 1 TeV en quelques dizaines de secondes seulement. Les binaires gamma peuvent ainsi être considérés comme l'un des accélérateurs de particules les plus efficaces de l'Univers.

    En outre, certains binaires de rayons gamma sont connus pour émettre des rayons gamma puissants avec des énergies de plusieurs mégaélectrons-volts (MeV). Les rayons gamma dans cette bande sont actuellement difficiles à observer; ils n'ont été détectés qu'à partir d'environ 30 corps célestes dans tout le ciel. Mais le fait que de tels binaires émettent un fort rayonnement même dans cette bande d'énergie ajoute grandement au mystère qui les entoure, et indique un processus d'accélération des particules extrêmement efficace en cours en leur sein.

    Jusqu'à présent, environ 10 binaires gamma ont été trouvés dans la Galaxie, contre plus de 300 binaires X connus. Pourquoi les binaires gamma sont si rares est inconnu, et, En effet, quelle est la vraie nature de leur mécanisme d'accélération, a été un mystère, jusqu'à maintenant.

    Grâce à des études antérieures, il était déjà clair qu'un binaire gamma est généralement constitué d'une étoile primaire massive qui pèse 20 à 30 fois la masse du Soleil, et une étoile compagne qui doit être une étoile compacte, mais ce n'était pas clair, dans de nombreux cas, si l'étoile compacte est un trou noir ou une étoile à neutrons. L'équipe de recherche a commencé sa tentative en découvrant ce qui est généralement le cas.

    L'une des preuves les plus directes de la présence d'une étoile à neutrons est la détection de pulsations rapides périodiques, qui sont liés à la rotation de l'étoile à neutrons. La détection d'une telle pulsation à partir d'un binaire de rayons gamma rejette presque sans aucun doute le scénario du trou noir.

    Dans ce projet, l'équipe s'est concentrée sur le LS 5039, découvert en 2005, et conserve toujours sa position de binaire de rayons gamma le plus brillant dans la gamme des rayons X et des rayons gamma. En effet, on pensait que ce binaire de rayons gamma contenait une étoile à neutrons en raison de son rayonnement stable de rayons X et de rayons gamma TeV. Cependant, jusqu'à maintenant, des tentatives pour détecter de telles impulsions avaient été menées avec des ondes radio et des rayons X mous - et parce que les ondes radio et les rayons X mous sont affectés par les vents stellaires de l'étoile primaire, la détection de telles impulsions périodiques n'avait pas été couronnée de succès.

    Cette fois, pour la première fois, l'équipe s'est concentrée sur la bande des rayons X durs (> 10 keV) et les données d'observation du LS 5039 recueillies par le détecteur de rayons X durs (HXD) à bord des télescopes spatiaux Suzaku (entre le 9 et le 15 septembre 2007) et NuSTAR (entre le 1er et le 5 septembre, 2016) - en effet, la période d'observation de Suzaku de six jours a été la plus longue à ce jour en utilisant des rayons X durs.

    Les deux remarques, alors qu'ils sont séparés de neuf ans, a fourni la preuve d'une étoile à neutrons au cœur de LS 5039 :le signal périodique de Suzaku avec une période d'environ 9 secondes. La probabilité que ce signal provienne de fluctuations statistiques n'est que de 0,1 pour cent. NuSTAR a également montré un signal d'impulsion très similaire, bien que la signification du pouls soit plus faible - les données NuSTAR, par exemple, n'était que provisoire. En combinant ces résultats, il a également été déduit que la période de rotation augmente de 0,001 s chaque année.

    Sur la base de la période de rotation dérivée et du taux de son augmentation, l'équipe a exclu les scénarios de rotation et d'accrétion, et a constaté que l'énergie magnétique de l'étoile à neutrons est la seule source d'énergie qui peut alimenter LS 5039. Le champ magnétique requis atteint 10 11 T, qui est 3 ordres de grandeur plus élevé que ceux des étoiles à neutrons typiques. Cette valeur se trouve parmi les soi-disant magnétars, une sous-classe d'étoiles à neutrons qui ont un champ magnétique extrêmement puissant. La période d'impulsion de 9 secondes est typique des magnétars, et ce fort champ magnétique empêche le vent stellaire de l'étoile primaire d'être capté par une étoile à neutrons, ce qui peut expliquer pourquoi le LS 5039 ne présente pas de propriétés similaires aux pulsars à rayons X (les pulsars à rayons X se produisent généralement dans les systèmes binaires à rayons X, où les vents stellaires sont capturés par son étoile compagne).

    De façon intéressante, les 30 magnétars qui ont été trouvés jusqu'à présent ont tous été trouvés comme des étoiles isolées, leur existence dans les binaires gamma n'était donc pas considérée comme une idée dominante. Outre cette nouvelle hypothèse, l'équipe suggère une source qui alimente l'émission non thermique à l'intérieur du LS 5039 - ils proposent que l'émission est causée par une interaction entre les champs magnétiques du magnétar et les vents stellaires denses. En effet, leurs calculs suggèrent que les rayons gamma avec des énergies de plusieurs mégaélectronvolts, ce qui n'est pas clair, peuvent être fortement émis s'ils sont produits dans une région de champ magnétique extrêmement fort, près d'un magnétar.

    Ces résultats règlent potentiellement le mystère quant à la nature de l'objet compact au sein de LS 5039, et le mécanisme sous-jacent alimentant le système binaire. Cependant, d'autres observations et affinements de leurs recherches sont nécessaires pour jeter un nouvel éclairage sur leurs découvertes.


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