mardi 27 février 2018

Nouvel indice sur la nature des sources X ultra-lumineuses


La célèbre galaxie du tourbillon, M51, possède plusieurs sources de rayons X ultralumineuses, des ULX (ultraluminous X-ray sources). L'origine astrophysique de ces sources se partage aujourd'hui entre deux options : des trous noirs de masse intermédiaire ou bien des étoiles à neutrons un peu extrêmes. Depuis 2014, trois ULX de ce type ont été identifiées formellement comme étant des étoiles à neutrons ayant un champ magnétique démesuré. Aujourd'hui, la source ULX 8 de M51 se montre elle aussi être produite par une étoile à neutrons...  



Les premières sources de rayons X ultralumineuses ont été découvertes il y a plus de trente ans, mais leur nature restait quelque peu mystérieuse. Ce n'est qu'un peu plus tard qu'ont été proposées plusieurs solutions pouvant expliquer ces émissions de rayons X dont l'énergie peut dépasser celle de plusieurs millions d'étoiles comme le soleil. Il pouvait s'agir de trous noirs de masse dite intermédiaire, entre trous noirs stellaires et trous noir supermassifs, c'est à dire entre 100 et 100000 masses solaires, ou bien d'objets de plus faible masses mais avec un taux d'accrétion de matière démesurée, des simples étoiles à neutrons ayant un environnement particulier. A partir de 2014, le télescope spatial NuStar a pu observer des signes de pulsation périodique dans le rayonnement X provenant de trois ULX, ce qui signait une origine de type pulsar, donc étoile à neutrons.  
Murray Brightman (Caltech) et ses collaborateurs ont utilisé quant à eux les données des télescopes spatiaux Chandra et XMM-Newton pour observer la belle galaxie M51 en rayons X. Chandra a été pointé à 13 reprises vers la galaxie du Tourbillon entre 2000 et 2017 et XMM-Newton, 9 fois entre 2003 et 2011, mais les astronomes ont exploité seulement 5 observations de Chandra et 4 de XMM-Newton.

Ce qui a mis les chercheurs sur la piste d'une étoile à neutrons et non d'un trou noir de masse intermédiaire, c'est la présence dans le spectre X mesuré d'une raie d'absorption spécifique. Il faut rappeler que les rayons X qui sont émis dans ce type de sources proviennent de l'échauffement gigantesque qui se produit dans le disque d'accrétion qui se forme autour de l'objet compact. Et il existe théoriquement une limite qui ne peut pas être dépassée, appelée la limite d'Eddington. En effet, il doit arriver un moment ou le rayonnement est si intense qu'il produit une pression de radiation sur la matière qui ne peut alors plus s'accumuler dans le disque d'accrétion. Cet effet de rétroaction empêche donc théoriquement à la fois un taux d'accrétion trop élevé et une émission X trop intense. 
Le problème, c'est que les ULX semblent dépasser allègrement cette limite d'Eddington, et on ne sait pas pourquoi.

La raie d'absorption à 4,5 keV dans le spectre X de M51-ULX8 a été analysée en cherchant de multiples causes, mais, à cours d'autres solutions, Murray Brightman et ses collègues en arrivent à la conclusion que cette raie provient d'un phénomène physique qu'on appelle la diffusion de résonance cyclotron. Ce phénomène apparaît lorsque des particules chargées (électrons ou protons) ont des trajectoires qui s'enroulent autour de lignes de champ magnétique. Or, les trous noirs ne possèdent pas de champ magnétique, alors que les étoiles à neutrons en possède un qui peut être gigantesque.
La mesure de cette raie cyclotron offre la possibilité de mesurer la valeur absolue du champ magnétique, mais la fréquence cyclotron dépend aussi de la charge électrique des particules et de leur masse. Si il s'agit de protons, les chercheurs calculent que le champ magnétique de l'étoile à neutrons doit être de l'ordre de 1015 Gauss, et si il s'agit d'électrons, de l'ordre de 1011 Gauss.
Or il se trouve que pour briser la limite d'Eddington, un champ magnétique de 1014 Gauss pourrait bien aider en réduisant l'effet de la pression de radiation sur le plasma du disque d'accrétion... Si la raie cyclotron est produite par des électrons en revanche, cela signerait un champ magnétique relativement modeste et ne pourrait pas expliquer le dépassement de la limite d'Eddington. Les astrophysiciens ne peuvent pas trancher entre protons et électrons...

Il reste ainsi une part de mystère dans les ULX même si on commence à mieux les comprendre, notamment grâce à ces nouvelles observations. L'équipe de Brightman a déjà planifié de nouvelles acquisitions de données sur les autres ULX de M51 ainsi que d'autres galaxies, à la recherche des raies de diffusion de résonance cyclotron.

Source

Magnetic field strength of a neutron-star-powered ultraluminous X-ray source
M. Brightman, F. A. Harrison, F. Fürst, M. J. Middleton, D. J. Walton, D. Stern, A. C. Fabian, M. Heida, D. Barret & M. Bachetti
Nature Astronomy (26 février 2018)


Illustrations 

1) La galaxie M51, mage composite visible + rayons X (en mauve) (NASA/CXC/Caltech/M.Brightman et al.; Optical: NASA/STScI)

2) M51 imagée en entier en visible et UV par Hubble (NASA, Hubble Heritage Team, (STScI/AURA), ESA, S. Beckwith (STScI), Robert Gendler).)