mercredi 18 septembre 2019

Observation d'une étoile à neutrons très massive (pour une étoile à neutrons...)


MSP J0740+6620 est un pulsar milliseconde, une étoile à neutrons qui vit en couple avec une naine blanche. Mais cette étoile à neutrons est aussi l'étoile à neutrons la plus massive que nous ayons pu mesurer avec précision : 2,14 masses solaires, et ce grâce à un effet relativiste induit par sa compagne. Une étude parue dans Nature Astronomy.




Une valeur de 2,14 masses solaires pour une étoile à neutrons n'est pas anodine. C'est beaucoup, surtout qu'une estimation de la masse limite permettant de conserver une stabilité à un tel astre extrême avait été trouvée être égale à 2,17 masses solaires, à partir de l'événement de fusion de deux étoiles à neutrons observé par LIGO/Virgo en aout 2017. J0740+6620 apparaît donc comme un cas à la limite supérieure en masse. 
Thankful Cromartie (University of Virginia) et ses collaborateurs ont utilisé une technique rusée pour trouver la masse de l'étoile à neutrons du système : ils ont évalué la masse de sa compagne, la naine blanche. Ils trouvent 0,260± 0,008 M.
Ensuite, connaissant la masse d'une des deux composantes d'un système binaire et la période orbitale (qui est ici de 4,77 jours), on en déduit immédiatement la masse de la seconde étoile. Mais c'est la mesure de la masse de la naine blanche qui est un peu sioux. Les astrophysiciens ont utilisé le faisceau radio du pulsar pour cela. Etant donné que la pulsation d'un pulsar est très régulière (elle est liée à la rotation intrinsèque de l'étoile à neutrons), la moindre distorsion de l'espace-temps sur le trajet du faisceau peut être détectée en observant une variation de la période du signal radio du pulsar. Et l'étoile naine blanche compagne est justement suffisamment dense pour déformer localement l'espace-temps aux abords immédiats de l'origine du faisceau radio du pulsar. 
On appelle ce phénomène le retard de Shapiro : le faisceau du pulsar (qui montre une pulsation avec une fréquence de plusieurs centaines Hertz) semble prendre du retard à chaque fois que l'étoile à neutrons passe derrière la naine blanche, un retard de l'ordre du millionième de seconde. Un effet très petit mais mesurable, surtout quand comme Thankful Cromartie et ses collègues, on observe attentivement le couple avec un radiotélescope performant comme le Green Bank Telescope et qu'on ajoute à ces données plus de 12 ans de données archivées émanant de l'Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). 

La mesure de l'effet Shapiro sur MSP J0740+6620 a été rendue possible aussi parce que le couple d'étoiles est vue depuis la Terre presque dans son plan de rotation. La masse que les astrophysiciens obtiennent vaut 2,14 ± 0,10 M (pour un intervalle de confiance de 68.3% et 2,14 ± 0,20 M pour un intervalle de confiance de 95,4% ). 
Il faut se rappeler que la très grande majorité des étoiles à neutrons que nous connaissons ont une masse proche de 1,4 masses solaires, parfois un peu moins, parfois un peu plus. Celles qui s'approchent de 2 M sont très rares.
On connaissait auparavant le cas de MSP J1614−2230, dont la masse avait été mesurée en 2010 à 2 M puis réevaluée en 2016 à 1,928 ± 0,017 M, ainsi que celui de J0348+0432 mesuré en 2013, avec une masse de 2,01 ± 0,04 M, et en mai 2018, une autre mesure de masse extrême sur le pulsar J2215+5135 qui donnait 2,27 ± 0.17 M avec une incertitude importante.
Il est donc très probable que MSP J0740+6620 soit l'étoile à neutrons la plus massive qui ait jamais été mesurée, et son existence même permet aux théoriciens d'obtenir une vraie contrainte, une contrainte observationnelle, pour la détermination de ce qu'on appelle l'Equation d'Etat, l'équation qui décrit le comportement de la matière à l'intérieur des étoiles à neutrons et qui prédit notamment quelle devrait être la masse maximale qu'elles peuvent atteindre avant de disparaître derrière un horizon des événements.
Les chercheurs vont maintenant essayer d'améliorer encore leur mesure de la masse de  MSP J0740+6620. Avec une suivi quotidien du radiotélescope CHIME (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment), ils pensent notamment pouvoir atteindre une incertitude de 2 à 3% d'ici un an (soit une incertitude de 0,06 masse solaire). Parallèlement, des observations en rayons X avec le télescope NICER installé sur l'ISS ont été lancées pour tenter de mieux déterminer non seulement la masse de l'étoile à neutrons mais aussi son diamètre...


Source

Relativistic Shapiro delay measurements of an extremely massive millisecond pulsar
H. T. Cromartie et al.
Nature Astronomy (16 septembre 2019)


Illustrations

1) Vue d'artiste d'un pulsar

2) Graphe de la masse calculée des deux étoiles en fonction de l'inclinaison orbitale du système (H. T. Cromartie et al./Nature Astronomy)