Tels des phares cosmiques balayant l'univers d'éclats d'énergie, Les pulsars ont fasciné et déconcerté les astronomes depuis leur découverte il y a 50 ans. Dans deux études, des équipes internationales d'astronomes suggèrent que des images récentes de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA de deux pulsars - Geminga et B0355+54 - pourraient aider à mettre en lumière les signatures d'émission distinctives des pulsars, ainsi que leur géométrie souvent déroutante.

Les pulsars sont un type d'étoile à neutrons qui naissent dans des explosions de supernova lorsque des étoiles massives s'effondrent. Découvert initialement par des faisceaux d'émission radio semblables à des phares, des recherches plus récentes ont montré que les pulsars énergétiques produisent également des faisceaux de rayons gamma de haute énergie.

De façon intéressante, les poutres correspondent rarement, dit Bettina Posselt, associé de recherche senior en astronomie et astrophysique, État de Penn. Les formes des impulsions radio et gamma observées sont souvent très différentes et certains des objets ne montrent qu'un type d'impulsion ou l'autre. Ces différences ont suscité un débat sur le modèle du pulsar.

"On ne comprend pas bien pourquoi il y a des variations entre les différents pulsars, " a déclaré Posselt. " L'une des idées principales ici est que les différences d'impulsion ont beaucoup à voir avec la géométrie - et cela dépend également de la façon dont le spin du pulsar et les axes magnétiques sont orientés par rapport à la ligne de mire, que vous voyiez certains pulsars ou non. , ainsi que la façon dont vous les voyez."

Les images de Chandra donnent aux astronomes un regard plus attentif que jamais sur la géométrie distinctive des vents de particules chargées rayonnant dans les rayons X et d'autres longueurs d'onde des objets, selon Posselt. Les pulsars tournent rythmiquement alors qu'ils s'élancent dans l'espace à des vitesses atteignant des centaines de kilomètres par seconde. Les nébuleuses du vent des pulsars (PWN) sont produites lorsque les particules énergétiques provenant des pulsars tirent le long des champs magnétiques des étoiles, former des tores (anneaux en forme de beignet) autour du plan équatorial du pulsar, et jet le long de l'axe de rotation, revenant souvent en longues queues lorsque les pulsars traversent rapidement le milieu interstellaire.

"C'est l'un des plus beaux résultats de notre étude plus large des nébuleuses du vent pulsar, " a déclaré Roger W. Romani, professeur de physique à l'Université de Stanford et chercheur principal du projet Chandra PWN. "En rendant visible la structure 3-D de ces vents, nous avons montré comment remonter jusqu'au plasma injecté par le pulsar au centre. La fantastique acuité aux rayons X de Chandra était essentielle pour cette étude, nous sommes donc heureux qu'il ait été possible d'obtenir les expositions profondes qui ont rendu ces structures faibles visibles."

Un PWN spectaculaire est observé autour du pulsar de Geminga. Geminga, l'un des pulsars les plus proches à seulement 800 années-lumière de la Terre, a trois queues inhabituelles, dit Posselt. Les flots de particules s'échappant des prétendus pôles de Geminga - ou queues latérales - s'étendent sur plus d'une demi-année-lumière, plus long que 1, 000 fois la distance entre le Soleil et Pluton. Une autre queue plus courte émane également du pulsar.

Les astronomes ont déclaré qu'une image PWN très différente est vue dans l'image aux rayons X d'un autre pulsar appelé B0355+54, qui est d'environ 3, 300 années-lumière de la Terre. La queue de ce pulsar a un capuchon d'émission, suivi d'une double queue étroite qui s'étend à près de cinq années-lumière de l'étoile.

Alors que Geminga montre des impulsions dans le spectre des rayons gamma, mais la radio est-elle silencieuse, B0355+54 est l'un des pulsars radio les plus brillants, mais ne montre pas les rayons gamma.

"Les queues semblent nous dire pourquoi c'est, " dit Posselt, ajoutant que l'axe de rotation des pulsars et les orientations de l'axe magnétique influencent les émissions observées sur Terre.

Selon Posselt, Geminga peut avoir des pôles magnétiques assez proches du haut et du bas de l'objet, et des pôles de spin presque alignés, un peu comme la Terre. L'un des pôles magnétiques de B0355+54 pourrait faire directement face à la Terre. Parce que l'émission radio se produit près du site des pôles magnétiques, les ondes radio peuvent pointer dans la direction des jets, elle a dit. émission de rayons gamma, d'autre part, est produit à des altitudes plus élevées dans une région plus vaste, permettant aux impulsions respectives de balayer de plus grandes zones du ciel.

"Pour Geminga, nous voyons les impulsions lumineuses des rayons gamma et le bord du tore de la nébuleuse du vent du pulsar, mais les faisceaux radio près des jets pointent vers les côtés et restent invisibles, " a déclaré Posselt.

Les queues latérales fortement courbées offrent aux astronomes des indices sur la géométrie du pulsar, qui pourrait être comparé à soit des traînées de jet s'envolant dans l'espace, ou à un choc d'arc similaire à l'onde de choc créée par une balle lorsqu'elle est tirée dans les airs.

Oleg Kargaltsev, professeur adjoint de physique, Université George Washington, qui a travaillé sur l'étude sur B0355+54, dit que l'orientation de B0355+54 joue un rôle dans la façon dont les astronomes voient le pulsar, également. L'étude est disponible en ligne dans arXiv.

"Pour B0355+54, un jet pointe presque vers nous afin que nous détectons les impulsions radio lumineuses alors que la plupart des émissions de rayons gamma sont dirigées dans le plan du ciel et manquent la Terre, " a déclaré Kargaltsev. " Cela implique que la direction de l'axe de rotation du pulsar est proche de notre direction de ligne de visée et que le pulsar se déplace presque perpendiculairement à son axe de rotation. "

Noël Klingler, un assistant de recherche diplômé en physique, Université George Washington, et auteur principal de l'article B0355+54, a ajouté que les angles entre les trois vecteurs - l'axe de rotation, la ligne de mire, et la vitesse - sont différents pour différents pulsars, affectant ainsi l'apparence de leurs nébuleuses.

"En particulier, il peut être difficile de détecter un PWN à partir d'un pulsar se déplaçant près de la ligne de mire et ayant un petit angle entre l'axe de rotation et notre ligne de mire, " dit Klingler.

Dans l'interprétation de choc d'arc des données de rayons X de Geminga, Les deux longues queues de Geminga et leur spectre inhabituel peuvent suggérer que les particules sont accélérées à presque la vitesse de la lumière grâce à un processus appelé accélération de Fermi. L'accélération de Fermi a lieu à l'intersection d'un vent de pulsar et du matériau interstellaire, selon les chercheurs, qui rapportent leurs découvertes sur Geminga dans le numéro actuel de Journal d'astrophysique .

Bien que différentes interprétations restent sur la table pour la géométrie de Geminga, Posselt a déclaré que les images du pulsar de Chandra aidaient les astrophysiciens à utiliser les pulsars comme laboratoires de physique des particules. L'étude des objets donne aux astrophysiciens une chance d'étudier la physique des particules dans des conditions qui seraient impossibles à reproduire dans un accélérateur de particules sur Terre.

« Dans les deux scénarios, Geminga fournit de nouvelles contraintes passionnantes sur la physique de l'accélération dans les nébuleuses du vent pulsar et leur interaction avec la matière interstellaire environnante, " elle a dit.