lundi 14 avril 2014

Le Rayonnement Gamma des Pulsars

Généralement, lorsque l'on s'imagine un pulsar, on voit tout de suite cette étoile à neutrons tournant très vite sur elle-même et émettant un fin faisceau d'ondes radio depuis ces pôles magnétiques, qui ne coïncident pas avec ses pôles géométriques, ce qui en fait une sorte de phare céleste. Mais cette image certes à peu près correcte, est néanmoins très incomplète.


Zones de production d'ondes radio et de rayons gamma autour d'un pulsar.
Car les pulsars n'émettent pas uniquement de l'énergie électromagnétique par ce mécanisme, ils produisent également de nombreux autres rayonnements, de manière plus diffuse. C'est en 1974 que furent pour la première fois observés des pulsations de rayons gamma sur les pulsars du Crabe et de Véla. En fait, les rayons gamma participent pour environ 5% de toute l'énergie mécanique perdue par le pulsar, qui voit sa rotation ralentir inéluctablement...
L'émission gamma semble logiquement liée à l'émission radio. Cette émission radio est due à la présence d'instabilités dans le plasma dense d'électrons et positrons des zones situées juste au dessus des pôles magnétiques. Or les phénomènes physiques responsables de la production de ces paires de particules/antiparticules doivent immanquablement produire également des photons gamma dans ces mêmes zones.

Mais, alors que pour le pulsar du Crabe, les émissions gamma suivaient parfaitement les émissions radio, il n'en était curieusement pas de même pour le pulsar de Véla. Puis une petite dizaine de nouveaux pulsars purent être détectés et étudiés dans les années 1990 grâce notamment au télescope EGRET de la NASA, et aucun d'eux ne montrait des pulses gamma coïncidents avec les pulses radio, les structures temporelles étaient toutes très différentes. Et puis EGRET a étudié le pulsar Geminga, c'était en 1992, un objet vraiment très bizarre puisqu'il ne possédait aucunes pulsations radio caractéristiques d'un pulsar, mais bien des pulsations gamma en revanche...
C'est à partir de ce moment là que les astronomes ont commencé à revoir sérieusement leur modèle des pulsars.
Geminga imagé par XMM-Newton (ESA)
Les rayons gamma ne seraient pas produits dans la même zone que les ondes radio, mais bien plus loin. Ils seraient crées en fait au niveau de ce qu'on appelle le rayon du cylindre de lumière. Il s'agit de la distance à partir de laquelle des particules qui voudraient avoir un mouvement en corotation avec l'étoile à neutron doivent avoir une vitesse relativiste.
Au delà du cylindre de lumière, la magnétosphère ouvre une zone de transition au travers de laquelle s'écoule un vent de particules énergétiques. 

Il en découle une vaste surface d'émission de rayons gamma, très différente des fins faisceaux d'ondes radio concentrés au niveau des pôles de l'étoile à neutron. Et depuis 5 ans maintenant, le télescope spatial Fermi-LAT engrange des dizaines de nouveaux pulsars, notamment du type de Geminga. Il en a déjà répertorié plus de 150 et la quête continue... La vision s'éclaircit de plus en plus désormais : les rayons gamma sont produits presque exclusivement au niveau de l'équateur du pulsar, dans sa magnétosphère externe, dans une sorte de gros accélérateur de particules distribué tout autour de l'astre moribond. 

Même si l'hypothèse initiale de la production de rayons gamma au niveau des pôles s'est révélée inadéquate avec les observations, il n'en reste pas moins vrai que les phénomènes qui s'y passent doivent quand même produire une petite quantité de rayons gamma. C'est maintenant ce que veulent montrer quelques équipes d'astrophysiciens avec l'aide précieuse du télescope Fermi, qui devrait avoir la sensibilité requise pour voir ce rayonnement.