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03/12/20

Découverte d'une pulsation gamma à longue période dans l'amas globulaire 47 Tucanae


L’amas globulaire 47 Tucanae (47 Tuc) est l’un des plus gros amas globulaires de notre galaxie. Alors que comme pour plusieurs autres amas globulaires, une émission gamma y a été détectée, a priori en provenance d’une population de pulsars millisecondes, une équipe d’astrophysiciens chinois vient de déceler une pulsation gamma périodique qui ne correspond pas du tout à celle des pulsars millisecondes… Une étude parue dans The Astrophysical Journal Letters


47 Tuc (aussi nommé NGC 104) fait partie des un peu plus de 150 amas globulaires qui gravitent autour du bulbe de notre galaxie et qui forment des groupes de vieilles étoiles très denses de forme sphérique. 47 Tuc se situe à environ 4 kpc de la Terre. C’est en 2009 qu’une émission de rayons gamma y a été détectée pour la première fois grâce au télescope spatial Fermi-LAT. Le spectre en énergie de ces photons gamma apparaissait tout à fait similaire à celui qui est attendu en provenance de pulsars millisecondes, ces étoiles à neutrons en rotation très rapide (plusieurs centaines de tours par seconde, soit une période de rotation de quelques millisecondes). Et cela tombe bien car des pulsars millisecondes, 25 en tout, avaient déjà été identifiés dans 47 Tuc en 2001, 2005 et 2010.
Ce gros amas globulaire n’est pas le seul à avoir été détecté en rayons gamma : 16 autres amas globulaires observés depuis 2010 montrent également une émission gamma dont le spectre correspond bien à celui de pulsars millisecondes. D’autre part, des pulsations de rayons gamma de période de l’ordre de la milliseconde ont pu être détectées provenant de deux pulsars : MSP J1823−3021A dans l’amas globulaire NGC 6624 et PSR B1821−24 dans M28. On peut donc penser avec une bonne confiance que les photons gamma énergétiques qui sont détectés dans 47 Tuc proviennent de pulsars millisecondes…
Mais en analysant les archives du télescope Fermi-LAT s’étalant entre 2008 et 2017, Peng-Fei Zhang (académie des sciences chinoise, université de Yunnan) et ses collègues trouvent un phénomène déconcertant : il existe une pulsation dans l’émission gamma de 47 Tuc qui montre une période non pas de quelques millisecondes mais de 18,42 heures ! C’est la première fois qu’une telle périodicité très différente de celle des pulsars attendue est observée dans un amas globulaire. Les chercheurs chinois, pour expliquer ce type de périodicité, pensent à une modulation orbitale : il pourrait s’agir d’un pulsar milliseconde dans un système binaire (ce qu’on appelle parfois une veuve noire (black widow) ou un dos rouge (redback)), mais le pulsar en cause serait particulièrement irradiant en rayons gamma. Cette hypothèse est confortée par le fait que les 15 pulsars millisecondes binaires de 47 Tuc ont des périodes orbitales (déduites d’observations en dans le visible et en ondes radio) qui s’étalent entre quelques heures et quelques jours. La période de 18,4 heures qui est trouvée ici se retrouve bien dans cette plage. Mais aucun des pulsars millisecondes binaires de 47 Tuc ne possède cette période orbitale de 18,4 heures… Il pourrait donc s’agir d’un nouveau pulsar milliseconde binaire selon Zhang et ses collègues. 
Pour tenter de vérifier cette hypothèse et identifier le coupable en cherchant un signal ressemblant, les chercheurs chinois se sont alors penchés sur d’autres archives comme celles du télescope Swift et celles de Chandra (en rayons X cette fois-ci), et ils y voient apparaître également des signes de pulsation gamma à longue période, avec quasi la même période. La source peut être isolée et est nommée (d’après ces coordonnées) : CXOGlb J002406.3–720443. Lorsqu’ils comparent les courbes de luminosité des rayons gamma modulés observés et des rayons X de la source putative, les astrophysiciens découvrent une forme similaire, avec un maximum qui arrive au même moment.

Zhang et ses collaborateurs en concluent qu’ils viennent de découvrir dans l’amas globulaire 47 Tuc une source gamma périodique atypique qui est très probablement issue d'un nouveau pulsar milliseconde binaire, qui serait formée de ses rayons gamma, non pas modulés par la rotation intrinsèque du pulsar, mais par le mouvement orbital du couple qu’il forme avec une étoile compagne, une première du genre.


Source

A Gamma-Ray Periodic Modulation in Globular Cluster 47 Tucanae
Peng-Fei Zhang et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 904, Number 2 (2 december 2020)


Illustration

47 Tucanae (ESO/M.-R. Cioni/VISTA Magellanic Cloud survey)

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