samedi 7 septembre 2019

L'émission radio d'un pulsar expliquée par la Relativité Générale


Une équipe internationale menée par un astrophysicien français montre dans une étude publiée cette semaine dans Science un effet relativiste observable directement sur un pulsar : la précession de son axe de rotation, qui est provoquée par l'influence gravitationnelle d'un seconde étoile à neutrons qui l'accompagne. Cet effet permet aux astrophysiciens de mesurer avec précision les caractéristiques du faisceau d'ondes radio du pulsar et du pulsar lui-même.




Gregory Desvignes (Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique, Observatoire de Paris) et ses collaborateurs ont effectué un suivi sur une très longue période du pulsar PSR J1906+0746 qui porte ses coordonnées équatoriales dans son nom comme beaucoup d'objets astrophysiques.  PSR J1906+0746 est un jeune pulsar qui tourne sur lui-même en 144 ms. Mais il n'est pas seul puisqu'il est en orbite autour d'une autre étoile à neutrons, avec une période orbitale de 4 heures.
Lorsqu'il a été découvert en 2004, PSR J1906+0746 montrait deux composantes polarisées dans son émission radio, séparées par une demi-période (environ 70 ms) ce qui indiquait que l'on voit le faisceau radio du pulsar quasi orthogonalement par rapport à sa rotation : les deux pôles magnétiques se situent presque à l'"équateur", un angle de 99° pour être exact : ils étaient tous les deux visibles au cours de la rotation intrinsèque de l'étoile à neutrons. 
Mais en 2018, on ne voyait plus qu'un seul pulse radio par rotation : l'axe de rotation de l'étoile à neutrons avait bougé suffisamment pour que l'un des deux faisceaux d'ondes radio se retrouve en dehors de notre ligne de visée. Gregory Desvignes et ses collaborateurs se doutaient qu'il se passait des choses intéressantes sur ce pulsar et avaient décidé de comprendre ce qui se passait avec PSR J1906+0746. Ils l'ont suivi dans le temps (monitoré comme on dit) entre 2012 et 2018 grâce aux radiotélescope d'Arecibo, et ont complété leurs données avec des archives du radiotélescope de Nançay et d'Arecibo, remontant jusqu'à 2005.
Gregory Desvignes et ses collègues, grâce à leurs observations, ont compris. Ils apportent non seulement une preuve de l'effet relativiste de précession qui est induit par l'étoile à neutrons compagne du pulsar, mais en plus, en suivant comment le faisceau radio du pulsar a évolué en fonction du temps, ils arrivent à "mesurer" assez précisément la taille de ce faisceau radio et même en faire une sorte de cartographie. 

La précession (c'est à dire la rotation de l'axe de rotation de l'astre) qui est ici un effet de la Relativité Générale, causé par le champ gravitationnel de l'étoile à neutrons compagne, est mesurée par les chercheurs et vaut 2,23° par an. Desvignes et ses collaborateurs en profitent aussi pour déterminer l'angle d'inclinaison de l'axe de rotation du pulsar par rapport à la ligne de visée, qui vaut 43,7°. 
Et ils ne s'arrêtent pas là, les données du couple binaire permettent aussi de mesurer d'autres paramètres relativistes comme l'avance du périastre et le facteur de dilatation temporelle. Avec tous ces paramètres en poche, et en faisant l'hypothèse que la Relativité Générale est correcte (sic), Desvignes et ses collaborateurs parviennent à estimer la masse des deux étoiles à neutrons avec une précision de 0,01 masse solaire : 1,29 masses solaires pour le pulsar et 1,32 masses solaires pour la compagne.

Concernant la dimension du faisceau radio, elle est cruciale à bien connaître car l'extension en latitude d'un faisceau de pulsar permet de déterminer ce que les astrophysiciens appellent la "fraction de faisceau" (beaming fraction), c'est à dire la portion de ciel qui est illuminée par le faisceau radio.
La connaissance de ce paramètre affecte ensuite directement notre estimation du nombre de pulsars présents dans notre galaxie, et surtout le nombre de pulsars binaires (des couples d'étoiles à neutrons), si important à connaître pour prédire combien de fusions d'étoiles à neutrons pourront être détectées par les ondes gravitationnelles qu'elles produiront. 

Ce taux de fusions d'étoiles à neutrons avait justement été estimé en utilisant notamment PSR J1906+0746 et la fraction de faisceau qui avait été déduite de l'extension géométrique de son faisceau, mais à partir d'hypothèses un peu générales sur les pulsars. Une valeur avait été estimée à 17° pour le cône de ce faisceau radio, mais Gregory Desvignes et ses collaborateurs mesurent aujourd'hui une extension du faisceau plus élevée, de 22°, ce qui implique, avec la précession de l'axe qui est observée, une valeur plus élevée de la fraction de faisceau : 0,52. Cela pourrait du coup modifier légèrement nos estimations du taux de fusions d'étoiles à neutrons, à la baisse. En effet, si les pulsars arrosent plus de volume d'espace avec leurs faisceaux radio que ce que l'on pensait, cela indique qu'il y en aurait moins en nombre que ce que l'on croyait, la probabilité de voir un pulsar individuel devenant plus grande...

Par ailleurs, grâce à leur suivi dans le temps de l'évolution des émissions radio de PSR J1906+0746, qui sont induites par la précession relativiste de son axe de rotation, les chercheurs peuvent prévoir ce qui va se passer dans le futur. Ils prédisent ainsi qu'en 2028, le cône d'émission du second faisceau radio sortira à son tour de notre ligne de visée  (il ne balaiera plus la Terre). A ce moment, PSR J1906+0746 aura disparu du ciel radio... Rendez-vous donc dans 9 ans pour assister à une nouvelle preuve observationnelle de la Relativité Générale.


Source

Radio emission from a pulsar’s magnetic pole revealed by general relativity
Gregory Desvignes et al.
Science  Vol. 365, Issue 6457 (06 Sep 2019)


Illustrations

1) Vue d'artiste d'un couple binaire de pulsars (Universe Sandbox)

2) Vue d'artiste animée d'un pulsar (NASA Videos)

3) Schéma des paramètres géométriques utilisés dans la caractérisation de PSR J1906+0746 (Desvignes et al/Science)