Découverte d'une émission infra-rouge étendue autour d'un pulsar

Les pulsars sont à la fête en ce moment ! Après la découverte de la semaine dernière au sujet d’un tout jeune pulsar, voilà donc une autre observation inédite concernant une étoile à neutrons en rotation rapide : la première observation d’une émission infra-rouge autour d’un pulsar sans contrepartie dans le domaine visible. Et c’est au télescope spatial Hubble que l’on doit cette découverte.

Alors que les étoiles à neutrons (les pulsars) sont généralement étudiés par leurs émissions radio ou leurs rayonnements plus énergétiques (des rayons X), certains cas ont aussi été observés dans le passé, ou du moins la nébuleuse qui les entoure, à la fois dans le domaine visible et en proche infra-rouge. Mais Bettina Posselt (Penn State University) et ses collaborateurs américains et turcs viennent de prouver que l’on peut aussi observer des pulsars uniquement en infra-rouge. Le nom de ce pulsar que les astrophysiciens ont observé avec Hubble est RX J0806.4-4123. Il fait partie d’un groupe de pulsars relativement proches de nous (situés à moins de 1 kpc, 3300 a.l), qu’on appelle les « Sept Magnifiques » ou XTINS (X-Ray Thermal Isolated Neutron Stars). Ils ont la particularité d’être isolés, c’est-à-dire pas dans des systèmes binaires, et ils sont plus chauds qu’ils ne devraient l’être d’après leur âge et leur réservoir d’énergie disponible sous forme d’énergie de rotation. Bettina Posselt et ses collègues ont identifié une région étendue d’émission infra-rouge entourant l’étoile à neutrons en rotation rapide, qui s’étend sur 200 unités astronomiques (la distance Terre-Soleil).

Tout a commencé en 2009 quand Posselt et ses collaborateurs ont cherché à imager directement d’éventuels compagnons de petite taille autour des XTINS avec le Very Large Telescope dans le proche infra-rouge. Ils ont alors remarqué une émission plus élevée qu’attendu coïncidant avec la position de RX J0806.4-4123. Puis en 2014, une observation avec le télescope infra-rouge Hershel leur a indiqué là encore la présence d’un rayonnement infra-rouge important à la longueur d’onde de 160 µm à proximité immédiate du pulsar. Naturellement intrigués, Posselt et ses collaborateurs ont alors effectué de nouvelles observations en 2016 cette fois-ci avec le télescope Hawaïen Gemini qui confirma la présence d’une source infra-rouge dans plusieurs bandes spectrales mais avec encore une petite incertitude. Il ne restait plus qu’à parfaire cette série d’observations concordantes avec Hubble de manière à définitivement confirmer l’existence et la nature de cette source étendue observée dans le proche infra-rouge autour de RX J0806.4-4123.

C’est la première étoile à neutrons qui montre ainsi un signal infra-rouge étendu, sans contrepartie visible. Pour expliquer cette observation, les chercheurs évoquent deux possibilités dans l’article qu’ils publient dans The Astrophysical Journal. La première solution serait qu’il existe un gros disque de poussières entourant le pulsar, des poussières issues de l’explosion de la supernova et qui sont les cendres de l’étoile disparue. La coalescence de ces débris autour du pulsar pourrait avoir induit une interaction avec lui et pourrait l’avoir échauffé tout en ralentissant sa rotation (dont la période n’est « que » de 11,37 secondes). Il faut rappeler que RX J0806.4-4123 est une étoile à neutrons isolée, qui ne se trouve donc pas dans un système binaire et ne peut pas accréter de la matière à partir d’une étoile compagne. Cette solution implique en revanche que le disque de débris ait une géométrie favorable par rapport à la ligne de visée. Cette hypothèse du disque est intéressante car elle bouscule un peu la compréhension que l’on a aujourd’hui de l’évolution des étoiles à neutrons. Elle montre comment les pulsars isolés pourraient voir leur rotation efficacement ralentie.

La seconde hypothèse avancée pour expliquer cette émission infra-rouge étendue serait plus classiquement la présence d’une nébuleuse de vent de pulsar, sauf que ce serait la première fois qu’une telle nébuleuse de vent de pulsar serait observée uniquement en infra-rouge, sans contrepartie optique. Un vent de pulsar est formé de particules chargées qui sont accélérées dans le champ électrique induit par la rotation de l’énorme champ magnétique de l’étoile à neutrons (en l’occurrence ici un champ dipolaire de 2,5 10¹³ Gauss soit 2,5 milliards de Teslas). Quand l’étoile à neutrons dans son mouvement galactique traverse le milieu interstellaire gazeux, ce vent de particules peut interagir avec le gaz, et notamment produire un rayonnement synchrotron via un processus d’onde de choc dans le milieu. C’est ce rayonnement synchrotron, selon les chercheurs, qui pourrait être à l’origine de l’émission étendue observée. Mais ces émissions indirectes de nébuleuses de vent de pulsar sont d’habitude vues en rayons X, ce qui donne une saveur toute particulière au rayonnement infra-rouge observé, et qui indiquerait que les particules du vent de pulsar seraient ici de relativement faible énergie.

RX J0806.4–4123 est un bel exemple montrant que les étoiles à neutrons peuvent continuer à surprendre les astrophysiciens. Pour savoir si l’une ou l’autre des deux hypothèses avancées pour expliquer l’émission infra-rouge étendue est la bonne, ou si finalement il s’agit d’une propriété commune à certains types de pulsars, des relevés systématiques en proche infra-rouge devront être menés, par exemple avec le télescope spatial Webb, s’il arrive un jour en orbite.

Source

Discovery of Extended Infrared Emission around the Neutron Star RXJ0806.4–4123

B. Posselt , G. G. Pavlov , Ü. Ertan , S. Çalışkan, K. L. Luhman, and C. C. Williams

The Astrophysical Journal 865:1 (17 september 2018)

https://doi.org/10.3847/1538-4357/aad6df

Illustrations

Vue d'artiste d'un pulsar entouré d'un disque de poussières (NASA, ESA, and N. Tr’Ehnl (Pennsylvania State University))