Découverte surprenante : une loi universelle pour les étoiles à neutrons

Une équipe de recherche internationale a récemment mis en lumière une loi universelle qui semble s’appliquer à une gamme d’objets connus sous le nom d’étoiles à neutrons. Cette découverte pourrait fournir des informations précieuses sur la production d’émissions radio par ces sources et établir un lien avec les mystérieux flashs de lumière radio, les Fast Radio Bursts, qui proviennent du cosmos lointain.

Comprendre les étoiles à neutrons

Les étoiles à neutrons sont les noyaux effondrés d’étoiles massives, concentrant jusqu’à deux fois la masse du soleil dans une sphère de moins de 25 km de diamètre. En conséquence, la matière qui s’y trouve est la plus densément emballée de l’Univers observable, comprimant les électrons et les protons en neutrons, d’où le nom. Plus de 3000 étoiles à neutrons peuvent être observées comme des pulsars radio, lorsqu’elles émettent un faisceau radio qui est visible comme un signal pulsatoire depuis la Terre, lorsque le pulsar en rotation dirige sa lumière vers nos télescopes.

Le champ magnétique des pulsars est déjà mille milliards de fois plus fort que le champ magnétique de la Terre, mais il existe un petit groupe d’étoiles à neutrons dont les champs magnétiques sont encore 1000 fois plus forts ! Ce sont les magnétars. Sur environ 30 magnétars connus, six ont également été détectés pour émettre des émissions radio, au moins occasionnellement.

Lien entre les magnétars et les Fast Radio Bursts

Il a été suggéré que les magnétars extragalactiques pourraient être à l’origine des Fast Radio Bursts (FRBs), et pour étudier ce lien, des chercheurs de l’Institut Max Planck pour l’astronomie radio (MPIfR) avec l’aide de collègues de l’Université de Manchester, ont examiné en détail les impulsions individuelles des magnétars et ont détecté une sous-structure en eux. Il s’avère que des structures d’impulsion similaires ont également été observées dans les pulsars, les pulsars millisecondes à rotation rapide, et dans d’autres sources d’étoiles à neutrons connues sous le nom de Transitoires Radio Rotatifs.

À leur surprise, les chercheurs ont découvert que l’échelle de temps des magnétars et celle des autres types d’étoiles à neutrons suivent toutes la même relation universelle, se calant exactement sur la période de rotation.

Le fait qu’une étoile à neutrons avec une période de rotation de moins de quelques millisecondes et une avec une période de près de 100 secondes se comportent comme des magnétars suggère que l’origine intrinsèque de la structure de sous-impulsion doit être la même pour toutes les étoiles à neutrons émettant des ondes radio. Cela révèle des informations sur le processus de plasma responsable de l’émission radio elle-même, et offre une chance d’interpréter une structure similaire observée dans les FRBs comme le résultat d’une période de rotation correspondante.

Témoignages des chercheurs

«Lorsque nous avons commencé à comparer l’émission des magnétars avec celle des FRBs, nous nous attendions à des similitudes », se souvient Michael Kramer, premier auteur de l’article et directeur à l’MPIfR. « Ce à quoi nous ne nous attendions pas, c’est que toutes les étoiles à neutrons émettant des ondes radio partagent cette échelle universelle. »

« Nous nous attendons à ce que les magnétars soient alimentés par l’énergie du champ magnétique, tandis que les autres sont alimentés par leur énergie de rotation », complète Kuo Liu. « Certains sont très vieux, certains sont très jeunes, et pourtant tous semblent suivre cette loi. »

Gregory Desvignes décrit l’expérience : «Nous avons observé les magnétars avec le télescope radio de 100 m à Effelsberg et comparé notre résultat également à des données d’archives, car les magnétars n’émettent pas toujours des émissions radio.» « Comme l’émission radio des magnétars n’est pas toujours présente, il faut être flexible et réagir rapidement, ce qui est possible avec des télescopes comme celui d’Effelsberg », confirme Ramesh Karuppusamy.

Pour Ben Stappers, co-auteur de l’étude, l’aspect le plus excitant du résultat est la possible connexion aux FRBs : «Si au moins certains FRBs proviennent de magnétars, l’échelle de temps de la sous-structure de l’explosion pourrait alors nous indiquer la période de rotation de la source magnétar sous-jacente. Si nous trouvons cette périodicité dans les données, ce serait une étape importante dans l’explication de ce type de FRB comme sources radio.»

Complément d’informations sur les Magnétars

Les magnétars font partie des étoiles à neutrons les plus énergétiques en raison de leurs champs magnétiques extrêmement élevés. Sur les trente magnétars découverts à ce jour, seuls six présentent une émission radio. Récemment, l’intérêt de la recherche pour leurs propriétés s’est considérablement accru en raison de leur lien possible avec les sursauts radio rapides (FRB). Les FRB sont des sursauts d’émission radio d’une durée de quelques millisecondes générés par des sources extra-galactiques. Bien que l’origine de ces sursauts radio n’ait pas été élucidée, les magnétars sont considérés comme l’une des sources possibles de FRB.

Une sous-structure avec une émission concentrée de courte durée a été détectée dans le signal radio des pulsars peu après leur première découverte. En général, la sous-structure présente une quasi-périodicité et une largeur caractéristiques, qui s’échelonnent toutes deux en fonction de la période de rotation du pulsar. Cette relation a été établie dans les pulsars canoniques depuis des décennies, et s’est étendue à la population des pulsars millisecondes au cours des dernières années. Très récemment, le même type de « micro-impulsion » de courte durée a également été observé dans certains FRB, ce qui indique la présence d’un processus d’émission sous-jacent similaire dans les deux scénarios.

La recherche s’est appuyée sur des observations des six magnétars radio-lourds réalisées par le télescope Effelsberg de 100 m dans la bande CX (4-8 GHz) et quelques autres radiotélescopes de classe 100 m dans le monde.

En synthèse

Cette étude révèle une loi universelle qui semble s’appliquer à une gamme d’objets connus sous le nom d’étoiles à neutrons. Cette découverte pourrait fournir des informations précieuses sur la production d’émissions radio par ces sources et établir un lien avec les mystérieux flashs de lumière radio, les Fast Radio Bursts, qui proviennent du cosmos lointain. Les chercheurs continuent d’explorer cette piste prometteuse, avec l’espoir de déchiffrer davantage les mystères de l’univers.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons ?

Une étoile à neutrons est le noyau effondré d’une étoile massive, concentrant jusqu’à deux fois la masse du soleil dans une sphère de moins de 25 km de diamètre. La matière y est la plus densément emballée de l’Univers observable.

Qu’est-ce qu’un magnétar ?

Un magnétar est une étoile à neutrons avec un champ magnétique extrêmement puissant, jusqu’à 1000 fois plus fort que celui des pulsars ordinaires.

Qu’est-ce qu’un Fast Radio Burst (FRB) ?

Un Fast Radio Burst est un flash de lumière radio provenant du cosmos lointain. Les magnétars extragalactiques sont suggérés comme une possible source de ces FRBs.

Quelle est la découverte majeure de cette étude ?

Les chercheurs ont découvert que l’échelle de temps des magnétars et celle des autres types d’étoiles à neutrons suivent toutes la même relation universelle, se calant exactement sur la période de rotation.

Quelle est l’importance de cette découverte ?

Cette découverte pourrait fournir des informations précieuses sur la production d’émissions radio par ces sources et établir un lien avec les mystérieux flashs de lumière radio, les Fast Radio Bursts, qui proviennent du cosmos lointain.

Principaux enseignements

Références

Article de recherche de l’Institut Max Planck pour l’astronomie radio (MPIfR)

Légende illustration principale : Impression artistique d’un magnétar, où une étoile à neutrons émet de la lumière radio alimentée par l’énergie stockée dans le champ magnétique ultra-fort, provoquant des explosions qui sont parmi les événements les plus puissants observés dans l’Univers. © Michael Kramer / MPIfR

L’équipe a publié ses résultats dans la revue Nature Astronomy : « Quasi-periodic sub-pulse structure as a unifying feature for radio-emitting neutron stars«