Vue d'artiste du PSR J2039−5617 et de son compagnon. Le système binaire se compose d'une étoile à neutrons en rotation rapide (à droite) et d'un compagnon stellaire d'environ un sixième de la masse de notre Soleil (à gauche). L'étoile est déformée par les fortes forces de marée de l'étoile à neutrons et elle est chauffée par le rayonnement gamma des étoiles à neutrons (magenta). La température de surface modélisée de l'étoile est indiquée en brun (plus froid) à jaune (plus chaud). Le rayonnement de l'étoile à neutrons évapore lentement mais sûrement l'étoile et crée des nuages de plasma dans le système binaire, qui entravent l'observation aux longueurs d'onde radio. Crédit :Knispel/Clark/Max Planck Institute for Gravitational Physics/NASA GSFC
Une équipe de recherche internationale comprenant des membres du Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) à Hanovre a montré qu'une étoile à neutrons en rotation rapide est au cœur d'un objet céleste maintenant connu sous le nom de PSR J2039−5617. Ils ont utilisé de nouvelles méthodes d'analyse de données et l'énorme puissance de calcul du projet de science citoyenne Einstein@Home pour traquer les faibles pulsations de rayons gamma de l'étoile à neutrons dans les données du télescope spatial Fermi de la NASA. Leurs résultats montrent que le pulsar est en orbite avec un compagnon stellaire environ un sixième de la masse de notre Soleil. Le pulsar évapore lentement mais sûrement cette étoile. L'équipe a également constaté que l'orbite du compagnon varie légèrement et de manière imprévisible au fil du temps. En utilisant leur méthode de recherche, ils s'attendent à trouver d'autres systèmes de ce type avec Einstein@Home à l'avenir.
"On soupçonnait depuis des années qu'il existe un pulsar, une étoile à neutrons en rotation rapide, au cœur de la source que nous connaissons désormais sous le nom de PSR J2039−5617, " dit Lars Nieder, un doctorat étudiant au Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) à Hanovre et co-auteur de l'étude publiée aujourd'hui dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society . "Mais il n'a été possible de lever le voile et de découvrir les pulsations des rayons gamma qu'avec la puissance de calcul donnée par des dizaines de milliers de bénévoles à Einstein@Home, " il ajoute.
L'objet céleste est connu depuis 2014 comme source de rayons X, rayons gamma, Et léger. Toutes les preuves obtenues jusqu'à présent pointaient vers une étoile à neutrons en rotation rapide en orbite avec une étoile légère au cœur de la source. Mais il manquait des preuves claires.
Observations de précision avec des télescopes optiques
La première étape pour résoudre cette énigme a été de nouvelles observations du compagnon stellaire avec des télescopes optiques. Ils ont fourni des connaissances précises sur le système binaire sans lequel une recherche de pulsar à rayons gamma (même avec l'énorme puissance de calcul d'Einstein@Home) serait irréalisable.
La luminosité du système varie au cours d'une période orbitale en fonction du côté du compagnon de l'étoile à neutrons faisant face à la Terre. "Pour J2039-5617, il y a deux processus principaux à l'œuvre, " explique le Dr Colin Clark du Jodrell Bank Center for Astrophysics, auteur principal de l'étude et ancien Ph.D. étudiant à l'AEI Hanovre. "Le pulsar chauffe un côté du compagnon léger, qui apparaît plus brillant et plus bleuté. En outre, le compagnon est déformé par l'attraction gravitationnelle du pulsar, ce qui fait varier la taille apparente de l'étoile sur l'orbite. ainsi que d'autres propriétés du système.
Recherche avec l'aide de dizaines de milliers de bénévoles
Avec ces informations et la position précise du ciel des données Gaia, l'équipe a utilisé la puissance de calcul agrégée du projet de calcul volontaire distribué Einstein@Home pour une nouvelle recherche d'environ 11 ans d'observations d'archives du télescope spatial Fermi Gamma de la NASA. Améliorer les méthodes antérieures qu'ils avaient développées à cet effet, ils ont fait appel à des dizaines de milliers de volontaires pour rechercher dans les données de Fermi des pulsations périodiques dans les photons de rayons gamma enregistrés par le télescope à grande surface à bord du télescope spatial. Les volontaires ont fait don de cycles de calcul inactifs sur les CPU et GPU de leurs ordinateurs à Einstein@Home.
Cette recherche a nécessité de passer au peigne fin les données afin de ne manquer aucun signal éventuel. La puissance de calcul requise est énorme. La recherche aurait duré 500 ans sur un seul cœur d'ordinateur. En utilisant une partie des ressources Einstein@Home, cela a été fait en 2 mois.
Grâce à la puissance de calcul offerte par les bénévoles d'Einstein@Home, l'équipe a découvert des pulsations de rayons gamma de l'étoile à neutrons en rotation rapide. Ce pulsar à rayons gamma, maintenant connu sous le nom de J2039−5617, tourne environ 377 fois par seconde.
Des changements surprenants de l'orbite
"Nous avons constaté que la période orbitale du compagnon varie légèrement et de manière imprévisible au cours des 11 années. Elle ne change que d'environ dix millisecondes, mais puisque nous connaissons l'heure d'arrivée de chaque photon gamma du pulsar à la précision de la microseconde, même ce peu, c'est beaucoup !" dit Nieder. Ces variations de la période orbitale pourraient être liées à de minuscules changements dans la forme du compagnon causés par son activité magnétique. Comme notre Soleil, le compagnon pourrait traverser des cycles d'activité. Le changement Le champ magnétique interagit avec le plasma à l'intérieur de l'étoile et le déforme. Comme la forme de l'étoile varie, son champ gravitationnel change également, qui à son tour affecte l'orbite du pulsar. Cela pourrait expliquer les variations observées de la période orbitale.
Les pulsars "araignées" consomment leurs compagnons
Alors que le compagnon stellaire léger est en orbite autour du pulsar, le fort rayonnement et le vent de particules du pulsar évaporent le compagnon. "C'est la raison pour laquelle les astronomes appellent des systèmes comme celui-ci 'redbacks' en référence aux araignées rouges australiennes dont les femelles consomment les mâles après l'accouplement, " explique Nieder. Dans le cas de J2039-5617, la matière enlevée de l'étoile forme des nuages de particules chargées dans le système binaire qui absorbent les ondes radio. C'est l'une des raisons pour lesquelles les recherches précédentes sur l'émission radio pulsée de l'étoile à neutrons ont échoué. Avec la détermination précise de l'orbite à partir des données de rayons gamma, il était également possible de détecter des pulsations radio et cela sera publié dans un article séparé.
"Nous connaissons des dizaines de sources de rayons gamma similaires trouvées par le télescope spatial Fermi, dont la véritable identité n'est pas encore claire, " dit le professeur Bruce Allen, directeur du Max Planck Institute for Gravitational Physics à Hanovre et directeur et fondateur d'Einstein@Home. "Beaucoup pourraient être des pulsars cachés dans des systèmes binaires et nous continuerons à les poursuivre avec Einstein@Home, " il ajoute.
