Grâce à l'observatoire de rayons X Chandra, les astronomes ont localisé une source de rayons X ultralumineux dans la galaxie spirale M83, photographié ici. Plus récemment, les astronomes ont découvert un ULX dans la galaxie M51. NASA/CXC/Curtin University/R.Soria et al. Les étoiles à neutrons ne sont peut-être pas aussi lourdes que leurs cousines plus massives des trous noirs, mais ils peuvent être tout aussi puissants lorsqu'il s'agit de générer d'impressionnants feux d'artifice à rayons X.
Depuis les années 1980, les astronomes ont étudié les sources de rayons X intenses émanant des régions externes d'autres galaxies. On les appelle sources de rayons X ultralumineuses, ou ULX, et ils produisent plus d'énergie qu'un million de soleils. D'habitude, les astronomes observeraient des émissions si puissantes dans les noyaux des galaxies actives, où se cachent des trous noirs supermassifs, mais les ULX sont loin de ces mastodontes. L'idée était qu'ils étaient générés par des trous noirs de masse stellaire plus petits - de quelques dizaines de masses solaires - se nourrissant des gaz d'étoiles malheureuses.
Mais un schéma déconcertant a commencé à émerger en 2014 lorsque la mission NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) de la NASA et d'autres télescopes spatiaux ont commencé à étudier ces énigmes. Il s'avère que les ULX peuvent ne pas du tout être alimentés par des trous noirs; plutôt, les étoiles à neutrons semblent être le coupable.
"C'était une énorme surprise, " dit Fiona Harrison, chercheur principal de la mission NuSTAR et professeur de physique à Caltech, à Pasadena, Californie. "Au début, les gens pensaient qu'il y avait quelque chose qui n'allait pas avec l'observation."
Loin de se tromper, dans une nouvelle étude co-écrite par Harrison et publiée dans la revue Nature Astronomy, une étoile à neutrons a été confirmée comme étant le moteur d'un ULX dans la célèbre galaxie Whirlpool, également connu sous le nom de M51. La galaxie est située à 28 millions d'années-lumière de la Terre. C'est la quatrième fois que les astronomes identifient un ULX alimenté par une étoile à neutrons.
On pense que la galaxie M51 abrite une impressionnante source de rayons X ultralumineux (à gauche) alimentée par une étoile à neutrons. NASA/CXC/Caltech/M.Brightman et al.; Optique :NASA/STScI Tout en étudiant les données d'archives de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA, les chercheurs ont remarqué une baisse mystérieuse du spectre lumineux de l'ULX. Quand ils ont enquêté, ils en ont déduit qu'il devait être causé par la diffusion de résonance cyclotron, un phénomène qui se produit dans des environnements hautement magnétiques et est causé par des particules chargées, comme les électrons et les protons, en spirale autour du champ magnétique.
Voici le kicker :les trous noirs n'ont pas de champs magnétiques, alors que les étoiles à neutrons sont réputées pour être des centrales magnétiques, donc le fait que le spectre de cet ULX ait l'empreinte de la diffusion par résonance cyclotron est un gros indice qu'un trou noir ne l'alimente pas, mais une étoile à neutrons est .
Les étoiles à neutrons sont des restes stellaires super denses qui restent après qu'une étoile est à court de carburant et explose en supernova. Composé de matière dégénérée, juste une cuillère à café d'étoiles à neutrons pèserait autant qu'une montagne. Ces objets sont extrêmement magnétiques; tout le champ magnétique de l'étoile dont il provient est réduit en un objet de la taille d'une ville. Mais pour qu'une étoile à neutrons génère un ULX, il doit se passer quelque chose de très spécial.
Si une étoile à neutrons fait partie d'un système binaire, où deux étoiles orbitent l'une autour de l'autre, il peut commencer à tirer sur les gaz chauds de son partenaire binaire, en le faisant glisser dans un disque d'accrétion. Alors que le gaz tombe vers l'étoile à neutrons, ça va chauffer, générer de puissants rayons X. Mais il y a une limite à la quantité d'énergie de rayons X qu'une étoile à neutrons peut générer.
"De la même manière que nous ne pouvons manger qu'une quantité limitée de nourriture à la fois, il y a des limites à la vitesse à laquelle les étoiles à neutrons peuvent accumuler de la matière, " a déclaré Murray Brightman, chercheur postdoctoral à Caltech et auteur principal de l'étude, dans un rapport.
Au fur et à mesure que l'affaire tombe, plus de rayons X sont générés, mais ce n'est pas durable. À un certain point – quelque chose appelé la limite d'Eddington – le rayonnement X deviendra si puissant qu'il repoussera physiquement plus de gaz de tomber dans le disque d'accrétion de l'étoile à neutrons. C'est une coupure naturelle. Une fois que l'énergie des rayons X atteint cette limite, l'alimentation en gaz est bloquée, et les émissions de rayons X sont plafonnées.
"Mais les ULX dépassent en quelque sorte cette limite pour émettre des rayons X incroyablement brillants, et nous ne savons pas pourquoi, " ajouta Brightman.
Les chercheurs ont le pressentiment, cependant, que la personnalité magnétique de l'étoile à neutrons peut être la clé. Ils pensent que les creux causés par la diffusion par résonance cyclotron dans les spectres de rayons X - comme celui de l'ULX de M51 - peuvent nous aider à comprendre ce qui se passe.
Si la diffusion par résonance cyclotron est causé par des protons interagissant avec le champ magnétique de l'étoile à neutrons, cela révélerait que le magnétisme autour de l'étoile à neutrons est extrême. Un magnétisme extrême pourrait réduire la pression des rayons X ULX, permettant ainsi à plus de gaz de tomber dans l'étoile à neutrons, turbo-stimulant les émissions de rayons X. Si la résonance est causé par les électrons , cependant, cela suggérerait un champ magnétique plus faible, celui qui ne peut pas expliquer l'énergie ULX.
Des travaux supplémentaires sont nécessaires avant de savoir avec certitude si les champs magnétiques extrêmes entourant les étoiles à neutrons sont ce qui leur permet de dépasser leur poids.
"Si les [ULX] sont des magnétars, il leur est plus facile d'apparaître si brillant, " dit Harrison.
Maintenant c'est intéressantIl est possible que les ULX soient alimentés par des magnétars, la famille d'étoiles à neutrons la plus magnétique, Ainsi, l'ULX de la galaxie Whirlpool pourrait être entraîné par le type d'étoile à neutrons le plus exotique.
