vendredi 26 janvier 2018

Première mesure directe du sens de rotation d'un pulsar


Depuis la découverte du premier pulsar il y a 50 ans, nous avons appris beaucoup sur les étoiles à neutrons, et les pulsars ont permis indirectement de nombreuses découvertes. Aujourd'hui, nous venons d'en apprendre encore plus avec pour la première fois une mesure directe du sens de rotation d'un pulsar situé dans un système binaire à 2 pulsars... 




Nihan Pol et ses collaborateurs ont observé un objet unique en son genre dans le bestiaire astrophysique, le système qu'on appelle le Double Pulsar, ou encore PSR J0737-3039 A et B. C'est le seul système binaire composé de deux pulsars détectables en radio que l'on connaisse aujourd'hui. Il est situé à environ 3500 années-lumière et a été détecté en 2003. PSR J0737-3039 a une période orbitale très faible de seulement 2,5 heures : les deux pulsars se tournent autour l'un de l'autre à raison de près de 10 tours par jour, ce qui en fait un objet très relativiste. Le système binaire se rapproche à raison de 7 mm par an en émettant des ondes gravitationnelles et les deux étoiles à neutrons devraient fusionner dans 85 millions d'années. En plus de tests de gravité en champ fort, le Double Pulsar offre une unique opportunité pour tester la physique du plasma et l'émission magnétosphérique des pulsars.
Les deux étoiles à neutrons sont très différentes : le pulsar A a une masse d'environ 1,34 masses solaires et tourne sur lui-même avec une période de 22,7 millisecondes, tandis que le pulsar B a une masse de 1,25 masses solaires et a une période de rotation 100 fois plus grande : 2,8 secondes. Le pulsar A tourne plus vite que le B car il est plus vieux et a été "recyclé" : il a pu être réaccéléré depuis sa naissance en accrétant de la matière de l'étoile compagne qui a donné naissance plus tard au pulsar B en explosant en supernova. La particularité du Double Pulsar fait qu'il est également plus facile de déterminer le sens de rotation intrinsèque de l'une des deux composantes par rapport à la rotation orbitale du couple.
Nihan Pol et ses collaborateurs ont utilisé une petite subtilité pour parvenir à mesurer le sens de rotation du pulsar A. Il se trouve que le rayonnement radio associé au dipôle magnétique du pulsar A produit un nouveau signal lorsqu'il atteint la magnétosphère du pulsar B. Et ce nouveau signal émanant de B se retrouve modulé en fonction de la rotation à la fois du Pulsar A sur lui-même et de la rotation du Pulsar A autour du Pulsar B. Cette modulation montre une fréquence de 44 Hz, alors que le faisceau du Pulsar A a une fréquence de 88 Hz (due au fait que les deux pôles magnétiques de l'étoile à neutrons sont sur notre ligne de visée (dit autrement, nous voyons les deux faisceaux du "phare" , ou l'axe magnétique est quasi orthogonal à l'axe de rotation). 

Pour déterminer le sens de rotation du pulsar A, les chercheurs ont analysé finement l'évolution de la période du signal modulé. Si le signal modulé possède une période temporelle plus grande que dans le cas où le pulsar ne tournerait pas, cela signifie que l'étoile à neutrons a une rotation prograde (dans le même sens que le mouvement de rotation orbitale). A contrario, si la période du signal modulé est plus courte, c'est le signe d'une direction rétrograde (une rotation intrinsèque dans le sens inverse du mouvement orbital). Nihan Pol et ses collaborateurs publient leur étude dans The Astrophysical Journal. Ils trouvent un sens prograde. Le Pulsar A a donc une rotation intrinsèque qui est dans le même sens que son mouvement autour du pulsar B. De plus, les chercheurs montrent que son axe de rotation est quasi aligné avec l'axe de rotation orbitale du couple.
Cette analyse fournit la première détermination directe du sens de rotation d'un pulsar. Au delà de la prouesse de la méthode utilisée, cette nouvelle information donne des indications sur l'histoire de ce système binaire très particulier. Le pulsar B est par exemple beaucoup plus jeune que le pulsar A. Le pulsar A existait donc déjà quand la supernova a explosé à sa proximité immédiate pour donner naissance au pulsar B. Le fait que l'orientation de A est restée alignée avec l'axe de rotation du couple indique que l'explosion de la supernova ne l'a que très peu affecté.

De plus, la connaissance du sens de rotation devrait aider à déterminer le moment d'inertie du pulsar A. Avec la donnée précise de sa masse, il sera possible de déduire la valeur du rayon de l'étoile à neutrons. La connaissance du rayon d'une étoile à neutrons est toujours mal connue et pourtant d'une importance capitale. La structure et la composition de ces astres extrêmes, ce qu'on appelle l'équation d'état des étoiles à neutrons, dépend en effet fortement de leur taille.


Source

A Direct Measurement of Sense of Rotation of PSR J0737–3039A
Nihan Pol et al.
The Astrophysical Journal, 853:73, (20 january 2018)


Illustrations

1) Vue d'artiste du Double Pulsar (Michael Kramer (Jodrell Bank Observatory, University of Manchester)

2) Schéma de l'émission radio d'un pulsar à partir des ces pôles magnétiques, décorrélés de son axe de rotation