Astro2009

La découverte du 1.000 ème pulsar dans notre galaxie a été annoncée le 13 novembre 1998 dans un communiqué par le Jodrell Bank Observatory.

Cet observatoire héberge un certain nombre de radiotélescopes, et fait partie du Jodrell Bank Centre d’astrophysique à l’Université de Manchester. L’observatoire a été créé en 1945 par Sir Bernard Lovell, qui voulait enquêter sur les rayons cosmiques, après son travail sur le radar dans la Seconde Guerre mondiale. Depuis, il a joué un rôle important dans la recherche des météores, les quasars, pulsars, masers et lentilles gravitationnelles, et a été largement impliqué dans le suivi des sondes spatiales au début de l’ère spatiale.

Les pulsars sont des d’étoiles à neutrons très petites, très massives, et en rotation très rapide (plusieurs tours par seconde). Les étoiles à neutrons correspondent à un état dégénéré de la matière : sous l’effet d’un effondrement gravitationnel très violent, leurs atomes se brisent pour laisser place à une « purée » de neutrons. Ces astres étranges émettent un fort rayonnement électromagnétique.

Pulsar vient de « pulsating radio source », un nom inexact qui leur avait été attribué lors de leur découverte : on pensait alors que les pulsars étaient des étoiles variables qui pulsaient très rapidement.

Un pulsar. Crédit NASA.

Il s’agit d’étoiles à neutrons très petites, très massives, et en rotation très rapide (plusieurs tours par seconde).
Les étoiles à neutrons correspondent à un état dégénéré de la matière : sous l’effet d’un effondrement gravitationnel très violent, leurs atomes se brisent pour laisser place à une « purée » de neutrons.
Ces astres étranges émettent un fort rayonnement électromagnétique.
Pulsar vient de « pulsating radio source », un nom inexact qui leur avait été attribué lors de leur découverte : on pensait alors que les pulsars étaient des étoiles variables qui pulsaient très rapidement.

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Vue d’artiste d’un pulsar et de son étoile compagnon, crédit NASA

La nébuleuse du Crabe, premier objet du catalogue Messier, contient en son cœur une étoile à neutrons (appelée aussi pulsar) qui tourne sur elle-même 30 fois par seconde.
Cette image a été prise en rayons X par l’observatoire Chandra.

Crédit NASA

Il n’était pas du tout sûr, quand le satellite Fermi a été lancé, que l’on puisse détecter des pulsars milliseconde par leur émission gamma. Aujourd’hui, après neuf mois de fonctionnement, l’émission pulsée gamma est confirmée pour huit d’entre eux. Fermi révèle aussi une émission continue de gammas dans la direction de l’amas globulaire 47 Tuc, où résident 23 pulsars milliseconde. D’autres amas globulaires du ciel du Nord sont aussi sur les rangs pour des détections semblables. Enfin, Fermi a découvert une nouvelle population de pulsars, constituée de 16 sources très puissantes en gamma, mais sans qu’aucune contre-partie ni en X ni en radio ne soit observée, à l’instar de Geminga, qui était jusqu’à peu l’unique specimen de ce type. Plus de 60% des détections de pulsars ont été possibles grâce aux éphémérides précises de leur rotation apparente obtenues en radio. Le radiotélescope de Nançay, avec son instrumentation de dédispersion cohérente de dernière génération, a joué un rôle moteur dans cette moisson de résultats. Ces observations complémentaires permettent en particulier de contraindre les mécanismes d’émission gamma en analysant le déphasage entre les courbes de lumière obtenues en radio et celles obtenues à haute énergie (X et gamma).

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Distribution sur le ciel des pulsars détectés par Fermi en rayons gamma.

Un pulsar est une étoile à neutrons tournant rapidement ; c’est tout ce qui reste d’une étoile massive ayant explosé en supernova. Le pulsar émet un rayonnement radio comme le faisceau d’un phare qui balaie l’espace. A partir de ce rayonnement les astronomes tentent de déduire l’âge, la masse et les paramètres orbitaux du pulsar.

Des pulsars ordinaires tournent plusieurs fois par seconde et ils ralentissent progressivement avec l’âge, devenant finalement trop faibles pour être détectés. Les pulsars milliseconde tournent beaucoup plus vite, plusieurs centaines de fois par seconde. Une telle vitesse est obtenue en aspirant la matière d’une étoile voisine, un processus qui transfère la vitesse angulaire du compagnon au pulsar.

Des astronomes de l’Université de Santa Cruz en Californie ont développé une nouvelle technique pour déterminer les âges de pulsars milliseconde, ces objets dont la rotation est la plus rapide de l’Univers. Selon B. Kiziltan, un étudiant de troisième cycle en astronomie et astrophysique à l’UCSC, “on sait que la méthode standard pour évaluer l’âge des pulsars donne des résultats incertains, particulièrement pour les pulsars milliseconde. Une détermination précise d’âges de pulsar a une importance fondamentale pour mieux comprendre la formation et l’évolution de pulsars et la physique des étoiles à neutrons”. Kiziltan a travaillé avec S. Thorsett, professeur d’astronomie et l’astrophysique à UCSC, pour étudier l’évolution de pulsars milliseconde.

Pour estimer l’âge d’un pulsar, on s’appuyait  jusqu’à présent sur deux paramètres : la période entre deux impulsions et son taux de ralentissement. Kiziltan et Thorsett ont montré que cette méthode peut sur - ou sous-estimer l’âge d’un pulsar par un facteur 10 quand on l’applique aux pulsars milliseconde. Pour améliorer l’exactitude de la technique standard, ils ont incorporé des contraintes supplémentaires qui résultent du processus de rotation et des limites physiques de la période de rotation maximale. “Nous avons modifié les calculs d’âge pour les mettre en accord avec ces contraintes et avons montré que cette approche peut permettre des évaluations beaucoup plus précises de l’âge du pulsar,” a dit Kiziltan.

Les deux chercheurs ont ainsi remarqué que certains pulsars milliseconde qui semblaient être jeunes ont en fait plusieurs milliards d’années. A l’inverse de jeunes pulsars milliseconde peuvent reproduire les caractéristiques de pulsars beaucoup plus âgés !

Représentation artistique d’un pulsar, crédit D. King.

     
Découvert en 1982, le premier pulsar milliseconde semblait défier les lois de l’astrophysique. Une équipe d’astrophysiciens vient de confirmer l’un des modèles expliquant la rotation si rapide de ces étoiles à neutrons.

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Une représentation du disque d’accrétion d’un pulsar arrachant de la matière à son étoile compagne déformée par les forces de marée. Crédit : Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

L’Observatoire Chandra de la NASA qui observe les rayons X des astres a photographié cette étrange main cosmique : il s’agit d’un pulsar très puissant, PSR B1509-58, une étoile à neutrons en rotation très rapide qui projette son énergie en d’étranges volutes qui forment cette sorte de main.

C’est en février 1968 qu’une étudiante, Jocelyn Bell, annonça la découverte du premier pulsar détecté quelques mois plus tôt.

Un pulsar est le nom donné à une étoile à neutrons, tournant sur elle-même plusieurs fois par seconde et émettant un fort rayonnement électromagnétique dans la direction de son axe magnétique. Pulsar signifie pulsating radio source (source radio pulsante) car à leur découverte on pensait qu’il s’agissait d’étoiles variables, hypothèse qui s’est rapidement avérée incorrecte, mais le nom de pulsar est resté.

La découverte de J. Bell était fortuite : elle étudiait des phénomènes de scintillation réfractive dans le domaine radio et utilisait de ce fait un instrument mesurant les variations d’un signal radio sur des courtes durées.

Cette découverte fut récompensée par le prix Nobel de physique en 1974, mais de façon assez injuste, on l’attribua aux concepteurs de l’instrument qui avait permis la découverte, Antony Hewish et Martin Ryle,sans y associer Jocelyn Bell…

Un pulsar vu par l’artiste D. King

Le mystère plane toujours sur l’excès de positrons observé dans le rayonnement cosmique par le satellite Pamela.
L’analyse du rapport antiprotons/protons pourrait indiquer la présence de matière noire mais il est également conforme à ce qu’on attend des sources classiques.

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Une image du pulsar Vela situé à environ 800 années-lumière du Soleil.

Le jet de matière observé s’étant sur un tiers d’année-lumière et les particules qu’il contient s’y déplacent à la moitié de la vitesse de la lumière.

Crédit : Nasa/CXC/PSU/G. Pavlov et al.