dimanche 17 mars 2019

M82-X2 : une source X Ultra-Lumineuse à longue période (incomprise)


La galaxie M82 abrite dans sa région centrale pas moins de 4 sources brillantes de rayons X très proches les unes des autres, dont deux extrêmement lumineuses, qui sont classées comme des sources X ultra-lumineuses (des ULX, Ultra Luminous X-ray sources) : M82-X1 et M82-X2. Une pulsation de rayons X étonnante de période d'environ 60 jours avait été détectée en provenance de M82 depuis quelques années, et une équipe peut aujourd'hui affirmer qu'elle provient de la source M82-X2, sans pouvoir expliquer le phénomène qui est à son origine...




On a compris depuis seulement 2014 ce qui se cachait derrière certaines sources X ultra-lumineuses. Après avoir pensé qu'il devait s'agir de trous noirs de masse intermédiaire, l'image qui se dessine aujourd'hui de plus en plus clairement est celle de pulsars fortement magnétisés qui sont en train d'accréter de la matière au sein d'un système binaire. 
Murray Brightman (California Institute of Technology) et ses collaborateurs américains et européens ont exploité le télescope spatial Chandra pour savoir laquelle des sources X de M82 était responsable de la pulsation très lente qui avait été observée en provenance de la galaxie entre 2012 et 2014 avec le télescope Swift, une pulsation beaucoup plus lente que la période orbitale des couples binaires formant ces sources X. Ils ont donc suivi les différentes sources intenses de M82 sur une longue durée (près d'un an, à raison d'une observation par mois) et ont analysé l'évolution temporelle du flux de rayons X pour chacune d'entre elles. Et il se trouve finalement, après une fine analyse, qu'il n'y a que M82-X2 qui montre une évolution périodique de longue durée qui vient se superposer à sa période de rotation intrinsèque (la rotation de l'étoile à neutron sur elle-même, de 1,37 s) et à sa période orbitale de 2,5 jours autour de sa compagne (une étoile de plus de 5 masses solaires). 
Il était difficile de séparer les quatre source X lumineuses de M82 car elles ne sont séparées que par 5 secondes d'arc environ. Seul le télescope X Chandra pouvait résoudre les quatre sources.  La période de variation de la luminosité X de M82-X2, qui atteint un facteur 100 entre le minimum et le maximum, est très exactement de 63,8 ±0,6 jours. Etant donné la grosse différence entre cette période de pulsation et la période orbitale du couple à l'origine de M82-X2 (2,5 jours), celle-ci est qualifié par les astrophysiciens de "super-orbitale", c'est à dire non liée directement avec le fait que l'on soit en présence d'un pulsar en orbite autour d'une étoile. 
Ce qui surprend les chercheurs, c'est l'étonnante similarité de M82-X2 avec d'autres ULX propulsées clairement par des pulsars, qui montrent elles-aussi une pulsation super-orbitale, et de durée très proche : 65,1 jours pour  NGC 7793 P13 et 78,1 jours pour NGC 5907 ULX1. En revanche, ces deux autres ULX voient leur flux de rayons X varier seulement d'un facteur 2 à 3, comparés aux 100 de M82-X2, et elles semblent parfois complètement s'éteindre, ce qui n'est pas le cas de M82-X2. Les trois pulsars au cœur de ces trois ULX ont également le point commun de montrer une rotation intrinsèque très semblable, avec une période de rotation de l'ordre de 1 s. 

L'existence de périodes super-orbitales est également connue dans d'autres systèmes binaires impliquant une étoile à neutrons (mais pas sources X ultra-lumineuses), on peut citer Her X-1, LMC X-4 ou SMC X-1, découvertes dans les années 1970 et 1980. Dans la plupart de ces cas, la variation d'intensité du flux X a pu être expliquée par la forme tordue du disque d'accrétion de matière entourant le pulsar qui viendrait occulter périodiquement l'émission de rayons X de l'étoile à neutrons. La source LMC-X-4 montre par exemple une période de 30 jours avec une variation d'un facteur 60.
Il y aurait donc le même type de disque d'accrétion déformé autour de M82-X2 ? Pas si vite!.. Murray Brightman et ses collaborateurs montrent dans leur étude qui est publiée dans The Astrophysical Journal, que si un disque d'accrétion distordu entourait le pulsar de M82-X2, on devrait voir des très grosses variations spectrales en fonction du flux : la distribution en énergie des photons X devrait varier quand le flux augmente ou décroit au cours de la pulsation lente. Et bien sûr, vous l'aurez compris, les astrophysiciens n'observent strictement aucune dépendance du spectre en énergie en fonction de la luminosité de M82-X2. Ils en concluent qu'il est très improbable que la périodicité de 63,8 jours soit due à un phénomène d'occultation d'un disque d'accrétion déformé.
Une autre idée émise l'année dernière par un autre groupe pour tenter d'expliquer la chose serait l'existence d'un phénomène de précession du disque d'accrétion, qui pourrait être provoquée par un effet relativiste. Mais ce processus, pour expliquer la variation d'un facteur 100 entre le minimum et le maximum de luminosité qui est observé dans M82-X2, devrait, selon Brightman et ses collègues, impliquer une énorme précession qui devrait retourner périodiquement le disque de matière à 90°, pour le passer d'une vue de face à une vue par sa tranche, ce qui semble là encore plus qu'improbable... 
Une troisième idée évoquée par les chercheurs dans leur article pour tenter d'expliquer l'origine de cette périodicité de 63,8 jours dans l'intense émission X de M82-X2 est non plus la précession du disque d'accrétion en entier, mais la précession d'une sorte de faisceau de rayons X, qui sortirait d'un disque d'accrétion épais par une ouverture conique. Une étude de 2017 avait en effet montré que cela pouvait expliquer la longue période du signal dans le cas de NGC 5907 ULX-1. Mais ce scénario appliqué à M82-X2 impose un "réglage fin" très contraignant : le demi-angle d'ouverture du faisceau doit être inférieur à 5° et l'angle de visée doit être du même ordre, de façon à ce que l'axe de visée se trouve être au bord du cône d'émission, ce qui permettrait de voir le flux décroître très fortement lorsque le faisceau d'émission subit une petite précession et sort alors de la ligne de visée. Ce scénario possède aussi l'inconvénient qu'il nécessite un disque d'accrétion très épais, or les disques d'accrétion autour des pulsars semblent devoir toujours être assez fins...

Murray Brightman et ses collaborateurs, après avoir tenté d'expliquer par divers processus la période de 63,8 jours de M82-X2 qu'ils ont clairement identifiée grâce à Chandra, restent secs.
M82-X2 rejoint donc les autres source X ultra-lumineuses qui possèdent une période super-orbitale de 60 à 80 jours, dont l'origine est toujours inconnue, ce qui a le charme de leur laisser un certain mystère.


Source

A ~60 day Super-orbital Period Originating from the Ultraluminous X-Ray Pulsar in M82
Murray Brightman et al.
The Astrophysical Journal, Volume 873, Number 2


Illustration

1) Image composite de M82, les données en rayons X obtenues par Chandra sont représentées en bleu, les données dans le visible obtenues par Hubble sont en vert et orange, les données obtenues en infra-rouge par Spitzer sont en rouge (X : NASA/CXC/Tsinghua Univ./H. Feng et al.; NASA/CXC/JHU/D. Strickland; visible : NASA/ESA/STScl/AURA/The Hubble Heritage Team; Infra-rouge : NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona/C.Engelbracht)

2) Le télescope spatial X Chandra X-ray Observatory (Chandra pour les intimes) (NASA)