À quelle vitesse une étoile à neutrons peut-elle propulser des jets puissants dans l’espace ? Il s'avère que la réponse est environ un tiers de la vitesse de la lumière, comme notre équipe vient de le révéler dans une nouvelle étude publiée dans Nature. .

Des faisceaux cosmiques énergétiques appelés jets sont visibles dans tout notre univers. Ils sont lancés lorsque de la matière, principalement de la poussière et du gaz, tombe vers un objet central dense, comme une étoile à neutrons (un vestige extrêmement dense d'une étoile autrefois massive) ou un trou noir.

Les jets emportent une partie de l'énergie gravitationnelle libérée par le gaz entrant, la recyclant dans l'environnement à des échelles bien plus grandes.

Les jets les plus puissants de l’univers proviennent des plus grands trous noirs situés au centre des galaxies. La production d’énergie de ces jets peut affecter l’évolution d’une galaxie entière, voire d’un amas de galaxies. Cela fait des jets un élément essentiel, mais intrigant, de notre univers.

Bien que les jets soient courants, nous ne comprenons toujours pas complètement comment ils sont lancés. Mesurer les jets d'une étoile à neutrons nous a désormais fourni des informations précieuses.

Jets issus de cadavres stellaires

Les jets des trous noirs ont tendance à être brillants et ont été bien étudiés. Cependant, les jets des étoiles à neutrons sont généralement beaucoup plus faibles et on en sait beaucoup moins à leur sujet.

Cela pose problème, car on peut apprendre beaucoup de choses en comparant les jets lancés par différents objets célestes. Les étoiles à neutrons sont des cadavres stellaires extrêmement denses :des cendres cosmiques de la taille d’une ville, mais contenant pourtant la masse d’une étoile. Nous pouvons les considérer comme d'énormes noyaux atomiques, chacun mesurant environ 20 kilomètres de diamètre.

Contrairement aux trous noirs, les étoiles à neutrons ont à la fois une surface solide et un champ magnétique, et le gaz tombant sur elles libère moins d'énergie gravitationnelle. Toutes ces propriétés auront un effet sur la façon dont leurs jets sont lancés, ce qui rend les études sur les jets d'étoiles à neutrons particulièrement précieuses.

Un indice clé sur la façon dont les avions à réaction sont lancés vient de leur vitesse. Si nous pouvons déterminer comment la vitesse des jets varie en fonction de la masse ou de la rotation de l’étoile à neutrons, cela constituerait un test puissant des prédictions théoriques. Mais il est extrêmement difficile de mesurer la vitesse des jets avec suffisamment de précision pour un tel test.

Un radar cosmique

Lorsque nous mesurons des vitesses sur Terre, nous chronométrons un objet entre deux points. Il peut s'agir d'un sprinter de 100 mètres courant sur la piste ou d'un radar point à point qui suit une voiture.

Notre équipe, dirigée par Thomas Russell de l'Institut national italien d'astrophysique de Palerme, a mené une nouvelle expérience dans ce sens pour les jets d'étoiles à neutrons.

Ce qui a rendu cette mesure si difficile dans le passé, c'est que les jets sont des flux constants. Cela signifie qu'il n'y a pas de point de départ unique pour notre minuterie. Mais nous avons pu identifier un signal de courte durée aux longueurs d'onde des rayons X que nous pourrions utiliser comme "pistolet de départ".

Étant si denses, les étoiles à neutrons peuvent « voler » la matière d’une étoile compagnon en orbite proche. Bien qu’une partie de ce gaz soit projetée vers l’extérieur sous forme de jets, la majeure partie finit par tomber sur l’étoile à neutrons. À mesure que le matériau s'accumule, il devient plus chaud et plus dense.

Lorsqu’une quantité suffisante de matière s’est accumulée, cela déclenche une explosion thermonucléaire. Une réaction de fusion nucléaire incontrôlée se produit et se propage rapidement pour engloutir l’étoile entière. La fusion dure de quelques secondes à quelques minutes, provoquant une brève explosion de rayons X.

Un pas de plus vers la résolution d'un mystère

On pensait que cette explosion thermonucléaire perturberait les jets de l'étoile à neutrons. Nous avons donc utilisé l'Australia Telescope Compact Array du CSIRO pour observer les jets pendant trois jours à des longueurs d'onde radio afin d'essayer de détecter la perturbation. Dans le même temps, nous avons utilisé le télescope intégral de l'Agence spatiale européenne pour observer les rayons X du système.

À notre grande surprise, nous avons constaté que les jets devenaient plus brillants après chaque impulsion de rayons X. Au lieu de perturber les jets, les explosions thermonucléaires semblaient les alimenter. Et ce schéma s'est répété dix fois dans un système d'étoiles à neutrons, puis de nouveau dans un deuxième système.

Nous pouvons expliquer ce résultat surprenant si l’impulsion de rayons X fait tomber plus rapidement vers l’intérieur le gaz tourbillonnant autour de l’étoile à neutrons. Ceci, à son tour, fournit plus d'énergie et de matière à détourner vers les jets.

Mais surtout, nous pouvons utiliser le sursaut de rayons X pour indiquer l’heure de lancement des jets. Nous avons chronométré le temps qu’il leur a fallu pour se déplacer vers l’extérieur jusqu’à devenir visibles à deux longueurs d’onde radio différentes. Ces points de départ et d'arrivée nous ont fourni notre radar cosmique.

Il est intéressant de noter que la vitesse du jet que nous avons mesurée était proche de la « vitesse de fuite » d’une étoile à neutrons. Sur Terre, cette vitesse de fuite est de 11,2 kilomètres par seconde, ce que les fusées doivent atteindre pour se libérer de la gravité terrestre. Pour une étoile à neutrons, cette valeur est environ la moitié de la vitesse de la lumière.

Nos travaux ont introduit une nouvelle technique de mesure de la vitesse des jets d’étoiles à neutrons. Nos prochaines étapes consisteront à voir comment la vitesse du jet change pour les étoiles à neutrons avec différentes masses et vitesses de rotation. Cela nous permettra de tester directement des modèles théoriques, nous rapprochant ainsi de la compréhension de la manière dont des jets cosmiques aussi puissants sont lancés.