Observations du PSR J1826-1256 – un pulsar gamma silencieux – obtenu avec l'observatoire de rayons X XMM-Newton de l'ESA. Les scientifiques ont découvert l'émission pulsée de rayons X de cette source et de deux sources similaires à l'aide d'un modèle théorique qui prédit la luminosité des rayons X non thermique d'un pulsar sur la base de sa luminosité de rayons gamma observée. Ce pulsar a une période de 110,2 millisecondes, apparaissant alternativement plus faibles et plus brillants à mesure que ses faisceaux de rayonnement se dirigent vers et loin de la Terre. A des fins d'illustration, le scintillement du pulsar est montré 10 fois plus lentement que le réel dans cette vue animée. Crédit :ESA/XMM-Newton/J. Li, DESY, Allemagne
Sur la base d'un nouveau modèle théorique, une équipe de scientifiques a exploré les riches archives de données des observatoires spatiaux XMM-Newton de l'ESA et Chandra de la NASA pour trouver des émissions de rayons X pulsées provenant de trois sources. La découverte, s'appuyant sur les précédentes observations gamma des pulsars, fournit un nouvel outil pour étudier les mécanismes mystérieux de l'émission de pulsar, ce qui sera important pour comprendre ces objets fascinants et les utiliser pour la navigation spatiale à l'avenir.
Phares de l'Univers, Les pulsars sont des étoiles à neutrons à rotation rapide qui émettent des faisceaux de rayonnement. Lorsque les pulsars tournent et que les faisceaux pointent alternativement vers et loin de la Terre, la source oscille entre des états plus lumineux et plus faibles, résultant en un signal qui semble « pulser » toutes les quelques millisecondes à quelques secondes, avec une régularité rivalisant même avec les horloges atomiques.
Les pulsars sont incroyablement denses, extrêmement magnétique, reliques d'étoiles massives, et sont parmi les objets les plus extrêmes de l'Univers. Comprendre comment les particules se comportent dans un champ magnétique aussi puissant est fondamental pour comprendre comment la matière et les champs magnétiques interagissent plus généralement.
Détectées à l'origine par leur émission radio, les pulsars sont maintenant connus pour émettre également d'autres types de rayonnement, bien que généralement en plus petites quantités. Une partie de cette émission est un rayonnement thermique standard - le type qu'émet tout ce qui a une température supérieure au zéro absolu. Les pulsars libèrent un rayonnement thermique lorsqu'ils accumulent de la matière, par exemple d'une autre étoile.
Mais les pulsars émettent également un rayonnement non thermique, comme cela est souvent produit dans les environnements cosmiques les plus extrêmes. Dans les pulsars, le rayonnement non thermique peut être créé via deux processus :l'émission synchrotron et l'émission par courbure. Les deux processus impliquent l'accélération de particules chargées le long des lignes de champ magnétique, les obligeant à émettre une lumière dont la longueur d'onde peut varier des ondes radio aux rayons gamma.
Les rayons X non thermiques résultent principalement de l'émission synchrotron, tandis que les rayons gamma peuvent provenir de ce que l'on appelle l'émission à courbure synchrone – une combinaison des deux mécanismes. Il est relativement facile de trouver des pulsars qui émettent des rayons gamma – le télescope spatial Fermi Gamma-Ray de la NASA en a détecté plus de 200 au cours de la dernière décennie, grâce à sa capacité à balayer tout le ciel. Mais seulement environ 20 ont été trouvés pour pulser dans les rayons X non thermiques.
"Contrairement aux instruments d'enquête à détection de rayons gamma, Les télescopes à rayons X doivent savoir exactement où pointer, nous devons donc leur fournir une sorte d'orientation, " dit Diego Torres, de l'Institut des sciences spatiales de Barcelone, Espagne.
Conscient qu'il devrait y avoir de nombreux pulsars émettant des rayons X non thermiques auparavant non détectés, Torres a développé un modèle qui combinait le rayonnement synchrotron et le rayonnement de courbure pour prédire si les pulsars détectés dans les rayons gamma pouvaient également apparaître dans les rayons X.
"Les modèles scientifiques décrivent des phénomènes qui ne peuvent pas être vécus directement, " explique Torres.
"Ce modèle permet notamment d'expliquer les processus d'émission dans les pulsars et peut être utilisé pour prédire l'émission de rayons X que nous devrions observer, sur la base de l'émission connue de rayons gamma."
Le modèle décrit l'émission de rayons gamma des pulsars détectés par Fermi - en particulier, la luminosité observée à différentes longueurs d'onde - et combine cette information avec trois paramètres qui déterminent l'émission du pulsar. Cela permet une prédiction de leur luminosité à d'autres longueurs d'onde, par exemple dans les rayons X.
Emission de rayons X et gamma observée de trois pulsars :J1747-2958 (à gauche), J2021+3651 (centre), et J1826-1256 (à droite). L'émission pulsée de rayons X a été découverte à l'aide d'un modèle théorique qui prédit la luminosité non thermique des rayons X d'un pulsar sur la base de sa luminosité gamma observée. Les observations de rayons gamma proviennent du télescope spatial Fermi Gamma-Ray de la NASA; les observations aux rayons X proviennent de l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA (à gauche et au centre) et de l'observatoire à rayons X XMM-Newton de l'ESA (à droite). La courbe rouge dans les graphiques représente le meilleur ajustement du modèle décrivant l'émission globale des sources par rapport aux données observées (symboles noirs). Dans la rangée supérieure, l'ajustement a été effectué en utilisant uniquement les données de rayons gamma :la valeur dans la plage d'énergie des rayons X représente la prédiction théorique, ce qui est assez proche de ce qui a été révélé plus tard dans les observations. Dans la rangée inférieure, l'ajustement inclut également les données radiographiques, fournissant une description plus précise du phénomène en utilisant le même modèle. Crédit :Adapté de J. Li et al. (2018)
Torres s'est associé à une équipe de scientifiques, dirigé par Jian Li du Deutsches Elektronen Synchrotron à Zeuthen près de Berlin, Allemagne, sélectionner trois pulsars émetteurs de rayons gamma connus qu'ils attendaient, d'après le modèle, pour briller également aux rayons X. Ils ont fouillé dans les archives de données des observatoires à rayons X XMM-Newton de l'ESA et Chandra de la NASA pour rechercher des preuves d'émission de rayons X non thermiques de chacun d'eux.
"Non seulement avons-nous détecté des pulsations de rayons X des trois pulsars, mais nous avons également constaté que le spectre des rayons X était presque le même que celui prédit par le modèle, " explique Li.
"Cela signifie que le modèle décrit très précisément les processus d'émission au sein d'un pulsar."
En particulier, Les données XMM-Newton ont montré une émission de rayons X claire du PSR J1826-1256 - un pulsar de rayons gamma silencieux avec une période de 110,2 millisecondes. Le spectre de la lumière reçue de ce pulsar était très proche de celui prédit par le modèle. Emission de rayons X des deux autres pulsars, qui tournent tous les deux un peu plus vite, a été révélé en utilisant les données de Chandra.
Cette découverte représente déjà une augmentation significative du nombre total de pulsars connus pour émettre des rayons X non thermiques. L'équipe s'attend à ce que beaucoup d'autres soient découverts au cours des prochaines années, car le modèle peut être utilisé pour déterminer où les chercher exactement.
Trouver plus de pulsars à rayons X est important pour révéler leurs propriétés globales, y compris les caractéristiques de la population. Une meilleure compréhension des pulsars est également essentielle pour potentiellement tirer parti de leurs signaux de synchronisation précis pour les futures activités de navigation spatiale.
Le résultat est une étape vers la compréhension des relations entre l'émission par les pulsars dans différentes parties du spectre électromagnétique, permettant un moyen robuste de prédire la luminosité d'un pulsar à n'importe quelle longueur d'onde donnée. Cela nous aidera à mieux comprendre l'interaction entre les particules et les champs magnétiques dans les pulsars et au-delà.
"Ce modèle peut faire des prédictions précises de l'émission de rayons X du pulsar, et il peut également prédire l'émission à d'autres longueurs d'onde, par exemple visible et ultraviolet, " poursuit Torres.
"À l'avenir, nous espérons trouver de nouveaux pulsars menant à une meilleure compréhension de leurs propriétés globales."
L'étude met en évidence les avantages des vastes archives de données de XMM-Newton pour faire de nouvelles découvertes et met en valeur les capacités impressionnantes de la mission à détecter des sources relativement faibles. L'équipe est également impatiente d'utiliser la prochaine génération de télescopes spatiaux à rayons X, dont la future mission Athena de l'ESA, pour trouver encore plus de pulsars émettant des rayons X non thermiques.
"En tant que fleuron de l'astronomie européenne à rayons X, XMM-Newton détecte plus de sources de rayons X que n'importe quel satellite précédent. C'est incroyable de voir que cela aide à résoudre tant de mystères cosmiques, " conclut Norbert Schartel, Scientifique du projet XMM-Newton à l'ESA.
