Le plus brillant pulsar jamais observé

Une étude dirigée par un astronome de l’IRAP1 (Université Paul Sabatier/CNRS/CNES) a permis la découverte d’un pulsar rayonnant une énergie équivalente à 10 millions de soleils. Il est si puissant qu’il rayonne autant d’énergie que le disque qui entoure un trou noir, sans toutefois en avoir la masse. Il s’agit du pulsar le plus brillant jamais observé dans l’Univers. Un pulsar est un objet stellaire dense formé lors d’une supernova et dont le rayonnement X est périodique à la fréquence de rotation de l’étoile sur elle-même. La découverte a été faite avec NuSTAR (NASA’s Nuclear Spectroscopic Telescope Array), elle paraitra dans la revue Nature du 9 octobre 2014.

Cette étonnante découverte devrait aider les astronomes à mieux comprendre une famille de sources de rayons-X appelées ultralumineuses (ULX, Ultra-Luminous X-ray Sources en anglais). Jusqu’à présent, les ULX étaient supposées être des trous noirs, soit de masse stellaire (10 fois la masse du Soleil), soit de masse intermédiaire (1000 fois la masse du Soleil ou plus). Ces derniers pourraient être les briques de base pour former les trous noirs super-massifs que l’on trouve au centre des galaxies.

Les trous noirs au centre des ULXs se nourrissent de l’accrétion de matière s’échappant d’une étoile compagnon. La matière s’enroule autour du trou noir, tel un disque, et c’est dans ce disque qu’elle s’échauffe pour finalement produire le rayonnement X observé. La caractérisation des trous noirs des ULXs fait aujourd’hui l’objet de recherches très poussées, en particulier avec les observatoires X spatiaux, tels XMM-Newton, Chandra et NuSTAR.

Grande fut la surprise de découvrir qu’une ULX (appelée X-2) de la galaxie Messier 82 située à 12 millions d’années lumière, contenait non pas un trou noir, mais bien une étoile à neutrons en rotation. Cette découverte fortuite s’est produite alors que NuSTAR observait une récente supernovae de M82. Située à proximité de la supernovae, l’ULX X-2 émettait un signal périodique en rayons X : la signature temporelle d’un pulsar. Un pulsar est une étoile à neutrons en rotation, émettant comme un phare dont le faisceau intercepte périodiquement la Terre.

Cette image de la galaxie M82 montre des données de l’Observatoire X Chandra (zones bleues), des données optiques du Télescope Spatial Hubble (zones vertes et oranges), et des données infrarouges du Télescope Spatial Spitzer (zone rouge). Dans le carré, on voit un détail de l’image Chandra qui montre la région centrale de la galaxie et les deux sources X ultralumineuses. © X-ray: NASA/CXC/Tsinghua Univ./H. Feng et al.; Full-field: X-ray: NASA/CXC/JHU/D.Strickland; Optical: NASA/ESA/STScI/AURA/The Hubble Heritage Team; IR: NASA/JPL-Caltech/Univ. of AZ/C. Engelbracht http://chandra.harvard.edu/photo/2010/m82/

Il a fallu adjoindre à NuSTAR, les satellites Swift et Chandra pour confirmer que l’émission de X-2 provenait bien d’un pulsar. La période de rotation du pulsar est de 1.37 seconde, et l’énergie rayonnée est équivalente à 10 millions de Soleil. Sans la détection de pulsations, X-2 serait considérée comme une ULX normale, contenant vraisemblablement un trou noir. C’est probablement le cas cependant d’une autre ULX, présente dans M82, qui vient récemment d’être proposée comme abritant un trou noir de masse intermédiaire.

Ce résultat de premier plan nous invite donc à reconsidérer la population d’ULXs dans son ensemble, toutes n’étant pas associées à des trous noirs. C’est la diversité d’objets qui permettra de contraindre les différents mécanismes de formation et d’évolution des ULXs. De plus, comprendre comment un objet de la taille de Paris intra-muros peut rayonner autant d’énergie nécessitera de mieux modéliser le comportement de la matière dans les champs gravitationnels et les champs magnétiques des étoiles à neutrons. Cette observation réalisée par NuSTAR en appellera d’autres, en particulier avec XMM-Newton, dans lequel l’IRAP avec le soutien du CNES est fortement impliqué. La chasse aux ULXs potentiellement aussi atypique que M82 X-2 ne fait que commencer.

• An ultraluminous X-ray source powered by an accreting neutron star, M. Bachetti et Al., Nature, doi:10.1038/nature13791, octobre 2014
• Communiqué de Presse de l’INSU

• « Le plus brillant pulsar jamais observé », Mag Paul Sabatier n°35, page 20  Mag Paul Sabatier n35.pdf 2,44 MB