Lorsque Jocelyn Bell a observé pour la première fois les émissions d'un pulsar en 1967, les impulsions rythmiques des ondes radio ont tellement confondu les astronomes qu'ils se sont demandé si la lumière pouvait être des signaux envoyés par une civilisation extraterrestre.

Les étoiles agissent comme des phares stellaires, tirant des faisceaux d'ondes radio à partir de leurs pôles magnétiques. Depuis plus d'un demi-siècle, la cause de ces faisceaux a déconcerté les scientifiques. Maintenant, une équipe de chercheurs soupçonne d'avoir finalement identifié le mécanisme responsable. La découverte pourrait aider des projets qui reposent sur le calendrier des émissions de pulsars, telles que les études sur les ondes gravitationnelles.

La proposition des chercheurs part des champs électriques puissants du pulsar, qui arrachent les électrons de la surface de l'étoile et les accélèrent jusqu'à des énergies extrêmes. Les électrons accélérés commencent finalement à émettre des rayons gamma de haute énergie. Ces rayons gamma, lorsqu'il est absorbé par le champ magnétique ultra-fort du pulsar, produire un déluge d'électrons supplémentaires et de leurs homologues d'antimatière, positrons.

Les particules chargées du nouveau-né amortissent les champs électriques, les faisant osciller. Les champs électriques vacillants en présence des puissants champs magnétiques du pulsar entraînent alors des ondes électromagnétiques qui s'échappent dans l'espace. À l'aide de simulations plasma, les chercheurs ont découvert que ces ondes électromagnétiques correspondent aux ondes radio observées à partir des pulsars.

"Le processus ressemble beaucoup à la foudre, " déclare l'auteur principal de l'étude Alexander Philippov, chercheur associé au Flatiron Institute's Center for Computational Astrophysics à New York. "Sorti de nul part, vous avez une décharge puissante produisant un nuage d'électrons et de positons, puis, comme une rémanence, il y a des ondes électromagnétiques."

Philippov et ses collaborateurs Andrey Timokhin de l'Université de Zielona Góra en Pologne et Anatoly Spitkovsky de l'Université de Princeton présentent leurs conclusions le 15 juin à Lettres d'examen physique .

Les pulsars sont des étoiles à neutrons, les restes denses et hautement magnétisés d'étoiles effondrées. Contrairement aux autres étoiles à neutrons, les pulsars tournent à des vitesses vertigineuses, avec certains tournant plus de 700 fois par seconde. Cette rotation génère de puissants champs électriques.

Aux deux pôles magnétiques d'un pulsar, des faisceaux continus d'ondes radio explosent dans l'espace. Ces émissions radio ont la particularité d'être cohérentes, ce qui signifie que les particules qui les créent se déplacent en synchronisme les unes avec les autres. Lorsque le pulsar tourne, les rayons balaient en cercles dans le ciel. Depuis la terre, les pulsars semblent clignoter lorsque les faisceaux entrent et sortent de notre champ de vision. La synchronisation de ces clignotements est si précise qu'ils rivalisent avec la précision des horloges atomiques.

Depuis des décennies, les astronomes ont réfléchi aux origines de ces faisceaux mais n'ont pas réussi à produire une explication viable. Philippov, Timokhin et Spitkovsky ont adopté une nouvelle approche du problème en créant des simulations 2D du plasma entourant les pôles magnétiques d'un pulsar (les simulations précédentes n'étaient que 1D, qui ne peut pas montrer les ondes électromagnétiques).

Leurs simulations reproduisent comment les champs électriques d'un pulsar accélèrent les particules chargées. Cette accélération produit des photons de haute énergie qui interagissent avec le champ magnétique intense du pulsar pour produire des paires électron-positon, qui sont alors accélérés par les champs électriques et créent encore plus de photons. Ce processus d'emballement remplit finalement la région de paires électron-positon.

Dans les simulations, les paires électron-positon créent leurs propres champs électriques qui s'opposent et atténuent le champ électrique initial. Finalement, le champ électrique d'origine devient si faible qu'il atteint zéro et commence à osciller entre des valeurs négatives et positives. Ce champ électrique oscillant, s'il n'est pas exactement aligné sur le champ magnétique puissant du pulsar, produit un rayonnement électromagnétique.

Les chercheurs prévoient d'étendre leurs simulations pour se rapprocher de la physique réelle d'un pulsar et approfondir le fonctionnement du processus. Philippov espère que leurs travaux permettront à terme d'améliorer la recherche qui repose sur l'observation précise du moment où les émissions de pulsars atteignent la Terre. Les astronomes des ondes gravitationnelles, par exemple, mesurer de minuscules fluctuations dans la synchronisation des pulsars pour détecter les ondes gravitationnelles étirant et comprimant le tissu de l'espace-temps.

"Si vous comprenez comment l'émission elle-même est produite, il y a un espoir que nous pouvons également produire un modèle des erreurs dans l'horloge de pulsar qui peut être utilisé pour améliorer les matrices de synchronisation de pulsar, " dit Philippov. De plus, une compréhension aussi approfondie pourrait aider à résoudre la source mystérieuse des sursauts périodiques d'ondes radio, connu sous le nom de rafales radio rapides, qui émanent des étoiles à neutrons, il dit.