lundi 10 mai 2021

Nouvelle preuve d'alignement vitesse-axe de rotation pour un pulsar, cette fois en 3D


Des astrophysiciens chinois, américains, allemands et australiens viennent de mettre en évidence pour la première fois l'existence d'un alignement à 3D quasi parfait entre le vecteur vitesse d'un pulsar et son axe de rotation. Jusqu'à présent, une telle corrélation entre vitesse et axe de rotation avait été entrevue, mais seulement à 2 dimensions. Une étude parue dans Nature Astronomy.

C'est avec le radiotélescope géant FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) que Yao Jumei (National Astronomical Observatories of Chinese Academy of Sciences (NAOC)) et ses collaborateurs ont étudié de très près le pulsar nommé PSR J0538+2817 dans le résidu de supernova S147. 
La plupart des pulsars sont animés d'une certaine vitesse, qu'ils ont acquise au moment de leur naissance lors d'une supernova. L'explosion étant rarement exactement de symétrie sphérique, l'astre compact résiduel est propulsé dans une certaine direction. On appelle ce phénomène un kick de supernova, qui peut produire une vitesse de plusieurs centaines de km/s. L'asymétrie dans l'explosion qui en serait responsable n'est pas encore très bien comprise, elle a été tour à tour attribuée à une asymétrie de l'éjecta de l'explosion ou à l'asymétrie de l'émission des neutrinos. 
Les astronomes avaient déjà observé un lien étonnant entre le vecteur vitesse de pulsars jeunes et leur axe de rotation, mais ces mesures étaient basées sur des mesures de vitesse projetées en 2D, dans le plan orthogonal à l'axe de visée. Cette restriction est dûe à la difficulté de déterminer la vitesse radiale des pulsars. Yao et ses collaborateurs ont utilisé une méthode appelée la technique de la scintillation et sont parvenus à déterminer la position du pulsar par rapport aux bords du résidu de supernova ainsi que sa vitesse radiale pour la première fois. Et comme on connaissait son mouvement propre dans le plan du ciel, qui a été mesuré par interférométrie à très longue base, on peut construire son vecteur vitesse en 3D. 
Quant à l'axe de rotation, il est déterminé par une analyse de la polarisation des ondes électromagnétiques. Les chercheurs chinois trouvent ainsi un écart angulaire entre la direction de la vitesse et la direction de l'axe de rotation du pulsar qui n'est que de 10°. 
Les simulations actuelles des explosions de supernovas ont des difficultés à reproduire de tels alignements en trois dimensions. La corrélation confirmée entre la direction du mouvement des pulsars et leur axe de rotation met un nouveau jeton dans la machine à mystère de la naissance des étoiles à neutrons.  
Le modèle dit de la "fusée électromagnétique" invoque par exemple une accélération post-natale le long de l'axe de rotation du pulsar par une force de radiation-réaction asymétrique provenant d'un dipôle magnétique décalé. Ce modèle aboutit effectivement à un alignement de la vitesse avec l'axe de rotation, mais il nécessite une vitesse de rotation initiale de l'étoile à neutrons très élevée  (> 1000 tours par seconde, soit une période inférieure à 1 ms). C'est très peu probable pour PSR J0538+2817, car sa période de rotation initiale a été déduite en 2003 et serait de 140 ms, soir une période de rotation plutôt longue.
La modélisation numérique des explosions de supernova dans le but de déterminer l'énergie de l'explosion et les propriétés du résidu compact est effectuée depuis des décennies. Au départ, cette modélisation était unidimensionnelle (1D), puis 2D et plus récemment 3D, avec une grande variété de codes numériques qui mettent l'accent sur différents aspects de l'explosion et en faisant différentes approximations. En général, les modèles 3D n'incluent pas encore la rotation de l'étoile progénitrice, car on ne s'attend pas à ce que la majorité des progéniteurs de supernova aient un noyau de fer qui tourne rapidement. Dans ces simulations, les kicks de l'étoile à neutrons pourraient résulter d'asymétries dans les éjectas ou dans l'émission de neutrinos, et les spins résultent plutôt de la retombée des éjectas sur l'étoile à neutrons. Dans ces modèles, il y a en fait peu ou pas de relation entre la direction du kick de l'étoile à neutrons et l'axe de rotation et donc aucune tendance à l'alignement. 
Pour Yao et ses collaborateurs, les mécanismes possibles de l'alignement axe de rotation-vitesse pourraient induits par des éjectas qui seraient dirigés par la rotation de l'étoile progénitrice, ou bien par une émission de neutrinos qui serait canalisée préférentiellement le long de l'axe de rotation. Mais pour le moment aucune de ces hypothèses ne l'a emporté sur l'autre et surtout n'a été acceptée par les spécialistes...
Yao et ses collaborateurs font tout de même la remarque que l'alignement qu'ils mesurent n'est pas parfait, il y a un écart de 10°. Or parmi les détections existantes d'"alignements" spin-vitesse en 2D, des désalignements faibles de 5° à 10° ont été observés dans de nombreux pulsars, y compris déjà PSR J0538+2817. Pour les chercheurs, ces désalignements pourraient résulter de la rupture d'un système binaire pré-supernova ou bien des variations aléatoires de la direction du kick natal ou encore de variations des couples de rotation. Ces valeurs de désalignement faibles constituent en tout cas un diagnostic important sur les processus physiques impliqués.
Des mesures systématiques des orientations des vecteurs de vitesse des pulsars en 3D et de leur axe de rotation vont maintenant pouvoir être menées, notamment avec le radiotélescope FAST et sa grande sensibilité.


Source

Evidence for three-dimensional spin–velocity alignment in a pulsar
Jumei Yao
Nature Astronomy (6 may 2021)


Illustration

Le résidu de supernova SNR S147 et son pulsar PSR J0538+2817 (NAOC)