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samedi 19 mars 2022

Découverte de 2 pulsars "veuves noires" dans l'amas globulaire M28


Une équipe d'astrophysiciens annonce la découverte grâce au radiotélescope MeerKAT de 2 nouveaux pulsars millisecondes "veuves noires" dans l'amas globulaire M28. Ils font de cet amas une figure d'exception avec un total de 5 veuves noires détectées à ce jour sur 14 pulsars. L'étude est parue dans The Astrophysical Journal.

Andrew Douglas (université de Virginie) et ses collaborateurs savaient que l'amas globulaire M28 contenait déjà un grand nombre de pulsars : 12 pour être précis. Mais ce n'est que le troisième amas globulaire le plus peuplé en pulsars. On connaît aujourd'hui 236 pulsars qui sont situés dans 36 amas globulaires de notre galaxie. Le plus riche de tous est l'amas globulaire Terzan 5 qui en possède 39, suivi par 47 Tucanae qui en contient 28. M28 arrive sur la marche du podium qui était occupée par NGC 1851 avec ses 14 pulsars.
Les amas globulaires sont des environnements propices à la création de pulsars millisecondes. En raison de la forte densité stellaire dans les régions centrales des amas globulaires (entre 1000 et 100 000 M⊙ pc-3), les interactions stellaires produisent des binaires formées dynamiquement qui peuvent accélérer la rotation des étoiles à neutrons par accrétion. De plus, ces rencontres dynamiques peuvent produire des pulsars millisecondes sur des orbites hautement excentriques et exotiques. C'est parce qu'il est très probable de trouver des pulsars millisecondes dans les amas globulaires, et en particulier ceux qui ont des orbites exotiques, que les amas globulaires ont été (et sont toujours) l'objet de nombreuses recherches de pulsars à l'aide des plus grands radiotélescopes.
Les deux nouveaux pulsars détectés dans M28 avec MeerKAT (qui monte ainsi ses découvertes de pulsars à 36):  PSR J1824−2452M (ou plus simplement M28M) et PSR J1824−2452N (M28N) ont la particularité d'être des pulsars de type "veuve noire". M28 contenait déjà 3 veuves noires sur ses 12 pulsars millisecondes. En comparaison, parmi les 39 pulsars de Ter 5, un seul est une veuve noire et il n'y en a que 2 parmi les 28 de 47 Tuc et aucun dans NGC 1851. M28 fait donc figure d'exception avec 5 veuves noires sur ses 14 pulsars.
Un pulsar "veuve noire" (black widow en anglais), c'est un pulsar binaire qui est accompagné d'une étoile de très faible masse (≤0,04 M⊙) qui provoque souvent des éclipses des pulsations radio, et ayant des orbites d'une durée de 2 à 10 h. Les pulsars de ce type ont le plus souvent des périodes de rotation de l'ordre de la milliseconde qu'ils ont atteint grâce à l'accrétion de matière arrachée à leur étoile compagne, ce qui les a réaccéléré (pulsars recyclés). Il existe un autre sous-type de pulsars qui porte un nom d'araignée, des noms donnés par l'astrophysicien américain Mallory Roberts dans un article de 2013 : les "redbacks" (dos rouges), qui ont eux une étoile compagne un peu plus massive que les veuves noires (∼0,1 à 0,2 M⊙), présentant également des éclipses ou des irrégularités de synchronisation. D'ailleurs, M28 contient également deux pulsars redbacks, et Ter 5 en possède 3 (dont le pulsar à la rotation la plus rapide connue, J1748−2446ad, qui a une période de 1,396 millisecondes (716 tours par seconde!).
Les veuves noires peuvent aussi être très rapides. Les deux nouveaux pulsars de ce type détectés grâce à à leurs pulsations radio avec MeerKAT ont une période de rotation respective de 4,78 ms, soit 209 tours/s (M28M) et 3,35 ms, soit 298 tours/s (M28N). M28M effectue une orbite autour de sa compagne en 5,82 heures tandis que M28N le fait en 4,76 heures. Les données recueillies permettent de déterminer l'âge de ces deux pulsars veuves noires : M28M aurait au moins 3 milliards d'années et M28N 1,4 milliards d'années.


Douglas et ses collaborateurs montrent que les deux pulsars ont des étoiles compagnes de faible masse (∼0,01-0,03 M⊙) qui provoquent des éclipses radio ou des variations orbitales de très faible amplitude. Les astrophysiciens ont mené une recherche dans le cadre de la phase initiale du recensement des amas globulaires avec MeerKAT dans le cadre du projet TRAPUM Large Survey. Ils analysent très finement comment varient les pulsations radio des pulsars dans le temps et en amplitude. Ces découvertes ont bénéficié de la très grande sensibilité du relevé de MeerKAT par rapport aux recherches précédentes qui ne permettaient pas de déceler d'aussi infimes variations. Douglas et son équipe n'excluent d'ailleurs pas de trouver d'autres pulsars lors de recherches continues dans cet amas avec ce réseau de radiotélescopes.
M28 (aussi appelé NGC 6626) est un amas globulaire assez massif situé dans le bulbe de la Voie Lactée à une distance de 5,4 kpc. Il est connu pour avoir été le premier amas globulaire à contenir un pulsar (PSR B1821-24 ou M28A, découvert par Lyne et al. en 1987). Il contient aussi un pulsar milliseconde de transition qui se comporte alternativement comme une pulsar radio et comme une binaire active à rayons X (IGR J18245-2452 ou M28I, caractérisé par Papitto et al. en 2013). M28 a fait l'objet de nombreuses recherches en multi-longueurs d'onde au cours des dernières décennies. ROSAT et Chandra ont été utilisés pour étudier l'émission X pouvant provenir des pulsars. Ces observations en rayons X ont permis en 2011 de localiser avec certitude les pulsars A, C, D, F, H, J et K. Le Green Bank Telescope (GBT), en ondes radio cette fois, a également observé M28 à plusieurs reprises et a permis la découverte de 11 pulsars millisecondes au début et au milieu des années 2000 (Bégin et al. 2006).

M28 semble donc particulièrement riche en pulsars et plus particulièrement en pulsars de type araignées. La découverte confirme que les paramètres structurels et la dynamique interne de M28 en font une usine très efficace de pulsars binaires exotiques (black widow et redback). Douglas et ses collaborateurs font une projection, à partir des observations, du nombre de pulsars que devraient contenir les 3 amas globulaires les plus riches. Ils trouvent que Terzan 5 devrait contenir 380 ± 40 pulsars millisecondes, 47 Tucanae devrait en posséder 160 ± 20 et M28 devrait en avoir le double : 320 ± 60. Mais concernant la proportion relative d'araignées (veuves noires + dos rouges), Ter 5 n'en aurait que 13%, 47 Tuc 33% et M28 jusqu'à 50%...


Source

Two New Black Widow Millisecond Pulsars in M28
Andrew Douglas et al.
The Astrophysical Journal, Volume 927, Number 1 (9 March 2022)


Illustrations

1. M28 imagé par le télescope Hubble (Space Telescope Science Institute (STScI/NASA)
2. Vue d'artiste d'un pulsar veuve noire (Knispel/Clark/Max Planck Institute for Gravitational Physics/NASA GSFC)

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