Dans les années 1980, les chercheurs ont commencé à découvrir des sources de rayons X extrêmement brillantes dans les parties externes des galaxies, loin des trous noirs supermassifs qui dominent leurs centres. En premier, les chercheurs pensaient que ces objets cosmiques, appelées sources de rayons X ultralumineuses, ou ULX, étaient de gros trous noirs avec plus de dix fois la masse du soleil. Mais les observations à partir de 2014 du NuSTAR de la NASA et d'autres télescopes spatiaux montrent que certains ULX, qui brillent avec une lumière à rayons X égale en énergie à des millions de soleils, sont en fait des étoiles à neutrons, les noyaux brûlés d'étoiles massives qui ont explosé. Trois de ces ULX ont été identifiés comme des étoiles à neutrons jusqu'à présent.

Maintenant, une équipe dirigée par Caltech utilisant les données de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA a identifié un quatrième ULX comme étant une étoile à neutrons et a trouvé de nouveaux indices sur la façon dont ces objets peuvent briller si brillamment.

Les étoiles à neutrons sont des objets extrêmement denses - une cuillère à café pèserait environ un milliard de tonnes, ou autant qu'une montagne. Leur gravité attire sur eux les matériaux environnants des étoiles compagnes, et comme ce matériau est tiré dessus, il se réchauffe et brille aux rayons X. Mais comme les étoiles à neutrons "se nourrissent" de la matière, il arrive un moment où la lumière des rayons X qui en résulte repousse la matière. Les astronomes appellent ce point - lorsque les objets ne peuvent plus accumuler de matière plus rapidement et émettre plus de rayons X - la limite d'Eddington.

"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, " dit Murray Brightman, chercheur postdoctoral à Caltech et auteur principal d'un nouveau rapport sur les résultats de Astronomie de la nature . "Mais les ULX dépassent en quelque sorte cette limite pour émettre des rayons X incroyablement brillants, et on ne sait pas pourquoi."

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont examiné un ULX dans la galaxie Whirlpool, également connu sous le nom de M51, qui se trouve à environ 28 millions d'années-lumière. Ils ont analysé les données radiographiques d'archives prises par Chandra et ont découvert un creux inhabituel dans le spectre lumineux de l'ULX. Après avoir écarté toutes les autres possibilités, ils ont compris que le creux était dû à un phénomène appelé diffusion par résonance cyclotron, qui se produit lorsque des particules chargées - soit des protons chargés positivement, soit des électrons chargés négativement - tournent dans un champ magnétique. Les trous noirs n'ont pas de champs magnétiques et les étoiles à neutrons en ont, la découverte a donc révélé que cet ULX particulier dans M51 devait être une étoile à neutrons.

La diffusion par résonance cyclotron crée des signatures révélatrices dans le spectre de lumière d'une étoile et la présence de ces motifs, appelées lignes cyclotron, peut fournir des informations sur la force du champ magnétique de l'étoile, mais seulement si la cause des lignes, qu'il s'agisse de protons ou d'électrons, est connu. Les chercheurs n'ont pas un spectre suffisamment détaillé du nouvel ULX pour le dire avec certitude.

"Si la ligne cyclotron est à partir de protons, alors nous savons que ces champs magnétiques autour de l'étoile à neutrons sont extrêmement forts et peuvent en fait aider à dépasser la limite d'Eddington, " dit Brightman. Des champs magnétiques aussi puissants pourraient réduire la pression des rayons X d'un ULX - la pression qui repousse normalement la matière - permettant à l'étoile à neutrons de consommer plus de matière que ce qui est typique et de briller avec les rayons X extrêmement brillants.

Si la raie cyclotron provient d'électrons encerclant, en revanche, alors la force du champ magnétique autour de l'étoile à neutrons ne serait pas exceptionnellement forte, et donc le champ n'est probablement pas la raison pour laquelle ces étoiles dépassent la limite d'Eddington. Pour approfondir le mystère, les chercheurs prévoient d'acquérir plus de données de rayons X sur l'ULX dans M51 et de rechercher plus de lignes cyclotron dans d'autres ULX.

"La découverte que ces objets très lumineux, longtemps considéré comme des trous noirs avec des masses jusqu'à 1, 000 fois celle du soleil, sont alimentés par des étoiles à neutrons beaucoup moins massives, était une énorme surprise scientifique, " dit Fiona Harrison, le professeur de physique Benjamin M. Rosen de Caltech; la chaire de leadership Kent et Joyce Kresa de la division de physique, Mathématiques et Astronomie; et le chercheur principal de la mission NuSTAR. "Maintenant, nous pourrions en fait obtenir des indices physiques solides sur la façon dont ces petits objets peuvent être si puissants."