Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l’Institut national d’astrophysique (INAF) a découvert l’existence d’un lien entre les explosions thermonucléaires de rayons X qui se produisent à la surface des étoiles à neutrons en accrétion et les puissants jets émis par ces sources. Les chercheurs ont également mesuré directement pour la première fois la vitesse d’un avion à réaction, améliorant ainsi notre compréhension de son mécanisme de lancement. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue Nature.
Les étoiles à neutrons sont les restes d’étoiles massives qui ont terminé leur évolution par une explosion de supernova. Caractérisés par une énorme masse comprimée dans un très petit volume – c’est pourquoi on les appelle aussi objets compacts – ces corps célestes peuvent passer toute leur existence dans la solitude, mais ils peuvent aussi s’associer, dans ce que l’on appelle des binaires à rayons X (Binaires à rayons X, En anglais). Il s’agit de systèmes astrophysiques dans lesquels une étoile à neutrons (ou un trou noir) attire la matière de la malheureuse étoile compagnon, l’utilisant à son avantage pour augmenter la masse dans un processus appelé accrétion.
L’une des conséquences de ce processus est l’accumulation de grandes quantités de matière à la surface de l’étoile à neutrons. Au fur et à mesure de l’accumulation, cette matière peut atteindre des valeurs de température et de densité telles qu’elles déclenchent de puissantes explosions thermonucléaires similaires à celles produites par les bombes à hydrogène : des éclairs soudains et lumineux de rayons X, d’une durée comprise entre 10 et 100 secondes, appelés type sursauts. Moi, le signe tangible d’un grand repas en cours.
Malgré leur cupidité, toute la matière qui s’accréte n’est pas engloutie par l’étoile à neutrons : une partie est en fait expulsée dans l’espace sous la forme de puissants écoulements de matière collimatés, également observables dans la bande radio du spectre électromagnétique : le soi- appelés jets.
Lancés par tous les systèmes binaires d’étoiles à neutrons ou de trous noirs, ces jets sont étudiés depuis les années 1970. Cependant, de nombreuses questions restent ouvertes à leur sujet. Comment sont-ils réellement lancés ? Quelle est la relation entre le processus de croissance d’un objet compact et l’émission de ces jets ? Et encore une fois, à quelle vitesse sont-ils lancés ?
Aujourd’hui, grâce à une campagne complexe d’observations radio et en bande X, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l’INAF, en collaboration avec des scientifiques de l’Agence spatiale européenne (ESA), de l’Université d’Amsterdam et de la Texas Tech University, a seulement découvert qu’il Il existe un lien étroit entre les explosions thermonucléaires et les jets, mais, pour la première fois, il a mesuré la vitesse de ces jets, paramètre fondamental pour comprendre leur mécanisme de lancement.
“Les objets compacts en accumulation (trous noirs et étoiles à neutrons) sont omniprésents dans l’univers”, dit-il. Thomas Russellchercheur à l’INAF de Palerme avec un Bourse d’astrophysique Inaf (IAF) et premier auteur de l’étude. « Ces objets – poursuit Russell – ne sont pas de simples aspirateurs à sens unique. Une partie de la matière entrante est en fait projetée sous la forme de flux rapides et ciblés de matière et d’énergie, appelés jets. Ces jets peuvent se propager vers l’extérieur à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, libérant d’énormes quantités d’énergie dans l’environnement qui peuvent affecter la formation des étoiles. Cependant, malgré leur importance, on ne sait pas actuellement comment ces jets sont lancés. Notre étude fournit un outil complètement nouveau pour répondre à cette question importante qui est jusqu’à présent restée sans réponse. »
Les étoiles à neutrons étudiées sont celles des systèmes binaires à rayons X 4U 1728-34 et 4U 1636-536, qui présentent tous deux de fréquents sursauts de rayons X de type I. Pour chacune des deux sources, les chercheurs ont mené une observation simultanée dans le X -rayon et radium. Les observations en bande X, qui suivent le flux d’accrétion de l’étoile à neutrons, ont été réalisées à l’aide du satellite INTEGRAL de l’Agence spatiale européenne (ESA). La surveillance des bandes radio, qui permet d’étudier l’émission des jets, a été réalisée avec l’Australia Telescope Compact Array (ATCA), un réseau de six antennes radio situé à l’Observatoire Paul Wild, en Australie, géré par l’Australian National Science Agency ( CSIRO).
L’objectif des chercheurs était d’identifier tout changement dans les émissions radio suite à l’apparition de sursauts de rayons X de type I. Et ils les ont trouvés : une augmentation de la luminosité radio, appelée éclateront été observés quelques minutes après chaque explosion thermonucléaire.
En rassemblant toutes les pièces du puzzle, leur conclusion est que l’évolution des avions à réaction est étroitement liée à ces explosions.
“Grâce à la capacité d’INTEGRAL à observer en continu un objet céleste pendant environ trois jours, nous avons capturé quatorze sursauts de rayons X émis par 4U 1728-34, ce qui nous a permis de déterminer pour la première fois leur impact sur l’évolution des avions radio”, souligne dehors Erik Kuulkers, ancien scientifique du projet INTEGRAL à l’ESA et co-auteur de l’étude. « Nous ne savions vraiment pas à quoi nous attendre. Nous pensions au départ que le rôle de ces explosions sur les avions était minime. Cependant, nos observations montrent un impact spectaculaire, dans lequel les sursauts augmentent la luminosité des jets en y injectant de la matière supplémentaire. »
Dans l’étude, les chercheurs ont également réussi à mesurer la vitesse des jets du système binaire 4U 1728-34 grâce à des observations à deux fréquences radio différentes : 5,5 et 9 gigahertz (GHz). Les fréquences plus élevées proviennent de régions du jet plus proches de l’étoile à neutrons, tandis que les fréquences plus basses proviennent de régions plus éloignées.
“Parce que nous disposons de mesures précises des heures d’arrivée des deux Mélanie Del Santo, chercheur à l’INAF de Palerme et co-auteur de la publication. « Dans le cas du 4U 1728-34, cette vitesse est égale à 0,38 c, soit un tiers de la vitesse de la lumière, ce qui correspond à environ 114 000 kilomètres par seconde. Il s’agit d’une vitesse élevée, mais considérablement inférieure à celle des jets des systèmes binaires à trous noirs, dont la valeur estimée peut être même supérieure à 0,9 c”.
La découverte selon laquelle les sursauts de rayons X de type I influencent l’évolution des jets et la détermination de la vitesse de ces jets offre une manière complètement nouvelle et robuste de comprendre leur mécanisme de lancement, qui est actuellement mal compris. Des études plus approfondies permettront de comprendre si le mécanisme de lancement repose sur la rotation de l’étoile à neutrons ou sur la rotation de son disque d’accrétion.
“Maintenant que nous disposons d’une méthode robuste pour mesurer la vitesse des jets, nous pouvons réaliser cette expérience dans des systèmes binaires où les étoiles à neutrons ont des vitesses de rotation, des masses et des champs magnétiques différents”, conclut Russell. “Avec plus de 120 étoiles à neutrons dans notre galaxie qui, nous le savons, produisent des sursauts de rayons X de type I, nous serons en mesure de déterminer le mécanisme qui entraîne le lancement de ces jets en comparant leur vitesse aux propriétés du système binaire.”
Pour plus d’informations:
L’article « Les explosions thermonucléaires sur les étoiles à neutrons révèlent la vitesse de leurs jets »de Thomas D. Russell, Nathalie Degenaar, Jakob van den Eijnden, Thomas Maccarone, Alexandra J. Tetarenko, Celia Sánchez-Fernández, James CA Miller-Jones, Erik Kuulkers & Melania Del Santo, a été publié dans le magazine Nature.
