Les données enregistrées par l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA d'une étoile à neutrons alors qu'elle traversait une zone dense de vent stellaire émanant de son étoile compagnon massive fournissent des informations précieuses sur la structure et la composition des vents stellaires et sur l'environnement de l'étoile à neutrons elle-même. Un article décrivant la recherche, dirigé par les astronomes de Penn State, paraît le 15 janvier, 2019, dans la revue, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .

"Les vents stellaires sont le matériau à écoulement rapide - composé de protons, électrons, et des atomes métalliques - éjectés des étoiles, " dit Pragati Pradhan, chercheur postdoctoral en astronomie et astrophysique à Penn State et auteur principal de l'article. "Ce matériau enrichit l'environnement de l'étoile avec des métaux, énergie cinétique, et les rayonnements ionisants. C'est la matière première de la formation des étoiles. Jusqu'à la dernière décennie, on pensait que les vents stellaires étaient homogènes, mais ces données de Chandra fournissent une preuve directe que les vents stellaires sont peuplés de touffes denses."

L'étoile à neutrons observée fait partie d'un système binaire à rayons X de masse élevée, le compact, étoile à neutrons incroyablement dense associée à une étoile supergéante « normale » massive. Les étoiles à neutrons dans les systèmes binaires produisent des rayons X lorsque le matériau de l'étoile compagnon tombe vers l'étoile à neutrons et est accéléré à des vitesses élevées. Suite à cette accélération, Des rayons X sont produits qui peuvent à leur tour interagir avec les matériaux du vent stellaire pour produire des rayons X secondaires d'énergies de signature à diverses distances de l'étoile à neutrons. Atomes de fer neutres non chargés, par exemple, produire des rayons X de fluorescence avec des énergies de 6,4 kilo-électron-volts (keV), environ 3000 fois l'énergie de la lumière visible. Les astronomes utilisent des spectromètres, comme l'instrument sur Chandra, de capturer ces rayons X et de les séparer en fonction de leur énergie pour en savoir plus sur la composition des étoiles.

"Les atomes de fer neutres sont un composant plus courant des étoiles, nous voyons donc généralement un pic important à 6,4 keV dans les données de nos spectromètres lorsque nous regardons les rayons X de la plupart des étoiles à neutrons dans un système binaire à rayons X de masse élevée, " a déclaré Pradhan. "Lorsque nous avons examiné les données de rayons X du système binaire à rayons X de masse élevée connu sous le nom d'OAO 1657-415, nous avons constaté que ce pic à 6,4 keV avait une caractéristique inhabituelle. Le pic avait une large extension jusqu'à 6,3 keV. Cette extension est appelée « épaule de Compton » et indique que les rayons X du fer neutre sont rétrodiffusés par la matière dense entourant l'étoile. Ce n'est que le deuxième système binaire à rayons X de masse élevée où une telle caractéristique a été détectée."

Les chercheurs ont également utilisé l'ingénierie de pointe de Chandra pour identifier une limite inférieure à la distance de l'étoile à neutrons à laquelle se forment les rayons X du fer neutre. Leur analyse spectrale a montré que le fer neutre est ionisé au moins 2,5 secondes-lumière, une distance d'environ 750 millions de mètres soit près de 500, 000 milles, de l'étoile à neutrons pour produire des rayons X.

"Dans ce travail, nous voyons une atténuation des rayons X de l'étoile à neutrons et une ligne proéminente du fer neutre dans le spectre des rayons X - deux signatures soutenant la nature grumeleuse des vents stellaires, " dit Pradhan. " De plus, la détection de l'épaule de Compton nous a également permis de cartographier l'environnement autour de cette étoile à neutrons. Nous espérons pouvoir améliorer notre compréhension de ces phénomènes avec le lancement prochain d'engins spatiaux comme Lynx et Athena, qui aura une meilleure résolution spectrale des rayons X. »

Pour le travail post-doctoral de Pradhan à Penn State sous la supervision du professeur d'astronomie et d'astrophysique David Burrows, Professeur agrégé de recherche en astronomie et astrophysique Jamie Kennea, et professeur de recherche en astronomie et astrophysique Abe Falcone, elle est principalement impliquée dans l'écriture d'algorithmes pour la détection embarquée des rayons X d'événements astronomiques transitoires tels que ceux observés à partir de ces systèmes binaires à rayons X de masse élevée pour les instruments qui seront à bord du vaisseau spatial Athena.

Pradhan et son équipe ont également une campagne de suivi sur le même binaire de rayons X de masse élevée avec un autre satellite de la NASA, NuSTAR, qui couvrira un spectre plus large de rayons X de cette source allant d'énergies de ~ 3 à 70 keV - en mai 2019.

« Nous sommes également ravis de la prochaine observation NuSTAR, " a déclaré Pradhan. " De telles observations en rayons X durs ajouteront une autre dimension à notre compréhension de la physique de ce système et nous aurons l'occasion d'estimer le champ magnétique de l'étoile à neutrons dans OAO 1657-415, qui est probablement un million de fois plus fort que le champ magnétique le plus puissant sur Terre. »