Les étoiles à neutrons ont les champs magnétiques les plus puissants de l'univers, et la seule façon de mesurer directement leur champ magnétique de surface est d'observer les raies d'absorption cyclotron dans leurs spectres d'énergie de rayons X. L'équipe Insight-HXMT a récemment découvert une raie d'absorption cyclotronique d'une énergie de 146 keV dans le binaire à rayons X de l'étoile à neutrons Swift J0243.6+6124, correspondant à un champ magnétique de surface de plus de 1,6 milliard de Tesla. Après la mesure directe du champ magnétique le plus puissant de l'univers à environ 1 milliard de Tesla en 2020, les records mondiaux de la raie d'absorption cyclotronique la plus énergétique et de la mesure directe du champ magnétique le plus puissant de l'univers ont été battus.

Les résultats, obtenus conjointement par le Key Laboratory for Particle Astrophysics de l'Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de l'Académie chinoise des sciences et l'Institut d'astronomie et d'astrophysique du Kepler Center for Astro and Particle Physics de l'Université de Tübingen (IAAT) , ont été publiés le 28 juin dans Astrophysical Journal Letters (ApJL). Le Dr Kong Lingda, le professeur Zhang Shu et le professeur Zhang Shuangnan de l'IHEP sont les auteurs correspondants de l'article. Le Dr Victor Doroshenko et le professeur Andrea Santangelo de l'Université de Tübingen ont contribué de manière significative à la découverte.

Un système binaire de rayons X d'étoile à neutrons se compose d'une étoile à neutrons et de son étoile compagne. Sous la forte force gravitationnelle de l'étoile à neutrons, le gaz de l'étoile compagne tombe vers l'étoile à neutrons, formant un disque d'accrétion. Le plasma dans le disque d'accrétion tombera le long de lignes magnétiques jusqu'à la surface de l'étoile à neutrons, où un puissant rayonnement X est émis. Parallèlement à la rotation de l'étoile à neutrons, de telles émissions entraînent des signaux d'impulsions de rayons X périodiques, d'où le nom de "pulsar d'accrétion de rayons X" pour ces objets.

De nombreuses observations ont révélé que ces types d'objets ont des structures d'absorption dans leurs spectres de rayonnement X, à savoir des raies d'absorption cyclotron, qui seraient causées par la diffusion résonnante et donc l'absorption des rayons X par les électrons se déplaçant le long des champs magnétiques puissants. L'énergie de la structure d'absorption correspond à l'intensité du champ magnétique de surface d'une étoile à neutrons; par conséquent, ce phénomène peut être utilisé pour mesurer directement la force du champ magnétique près de la surface de l'étoile à neutrons.

Les pulsars à rayons X ultralumineux sont une classe d'objets dont la luminosité des rayons X dépasse de loin celle des pulsars à accrétion de rayons X canoniques. Ils ont déjà été découverts dans plusieurs galaxies éloignées de la Voie lactée. Les astronomes ont émis l'hypothèse que leurs pulsars ont des intensités de champ magnétique élevées, même si les preuves de mesure directe font toujours défaut.

Insight-HXMT a fait des observations détaillées et à large bande de l'explosion de Swift J0243.6 + 6124, le premier pulsar à rayons X ultralumineux de la Voie lactée, et a découvert sans ambiguïté sa ligne d'absorption cyclotronique. Cette raie a révélé une énergie jusqu'à 146 keV (avec une signification de détection d'environ 10 fois l'écart type), ce qui correspond à un champ magnétique de surface de plus de 1,6 milliard de Tesla. Il s'agit non seulement du champ magnétique le plus puissant mesuré directement dans l'univers à ce jour, mais aussi de la première détection d'une raie d'absorption de cyclotron électronique dans une source de rayons X ultralumineux, fournissant ainsi une mesure directe du champ magnétique de surface de l'étoile à neutrons.

On pense que les champs magnétiques de surface des étoiles à neutrons ont des structures complexes, allant de champs dipolaires très éloignés de l'étoile à neutrons à des champs multipolaires n'influençant que la zone proche de l'étoile à neutrons. Cependant, la plupart des estimations indirectes antérieures des champs magnétiques des étoiles à neutrons n'ont sondé que les champs dipolaires.

Cette fois, la mesure directe du champ magnétique par Insight-HXMT basée sur la raie d'absorption du cyclotron est supérieure d'environ un ordre de grandeur à celle estimée par des moyens indirects. Cela constitue la première preuve concrète que la structure du champ magnétique d'une étoile à neutrons est plus complexe que celle d'un champ dipolaire symétrique traditionnel, et fournit également la première mesure de la composante non symétrique du champ magnétique d'une étoile à neutrons.

Insight-HXMT est le premier satellite chinois d'astronomie à rayons X. Il comprend des charges utiles scientifiques, notamment un télescope à haute énergie, un télescope à moyenne énergie, un télescope à basse énergie et un moniteur d'environnement spatial. Insight-HXMT présente des avantages par rapport aux autres satellites à rayons X en termes de couverture spectrale large bande (1-250 keV), de grande surface effective à haute énergie, de résolution temporelle élevée, de temps mort faible et d'absence d'effets d'empilement pour les sources lumineuses, ouvrant ainsi une nouvelle fenêtre pour l'observation des trous noirs, des étoiles à neutrons avec des transitions rapides de rayons X durs et des études de spectre d'énergie.

En 2020, l'équipe Insight-HXMT a signalé la détection d'une raie d'absorption cyclotronique de 90 keV à partir d'une étoile à neutrons dans le système binaire à rayons X GRO J1008-57, correspondant à un champ magnétique de surface de 1 milliard de Tesla, qui a établi un record mondial pour la mesure directe du champ magnétique le plus puissant de l'univers à l'époque. Plus tard, un nouveau record pour une raie d'absorption cyclotron - avec son énergie la plus élevée autour de 100 keV - a été détecté par Insight-HXMT à partir d'une autre étoile à neutrons dans 1A 0535 + 262. Insight-HXMT a démontré sa capacité exceptionnelle à explorer le spectre d'énergie en battant ses propres records de découvertes de raies d'absorption cyclotron. + Explorer plus loin

Champ magnétique le plus puissant de l'univers directement détecté par l'observatoire spatial à rayons X