FRB 20201124A est une source de FRB (sursauts radio rapides) aux caractéristiques surprenantes. Le radiotélescope chinois FAST a observé en 2021 près de 2000 sursauts consécutifs sur un total de 88 heures, qui montraient une mesure de la rotation de Faraday qui oscillait, ainsi qu’une polarisation circulaire et une largeur de pulses atypiques. Aujourd’hui, les astrophysiciens chinois qui l’ont décortiqué proposent un modèle pour expliquer ces observations : il s’agirait d’un magnétar dans un système binaire avec une étoile entourée d’un disque de gaz… L’étude est parue dans Nature Communications.
Bien que plusieurs centaines de sursauts radio rapides (FRB) aient été découverts, leur nature physique et leur moteur central restent aujourd’hui peu clairs. FRB 20201124A a été découvert le 24 novembre 2020 par le radiotélescope canadien CHIME. Ce FRB est vite apparu extrêmement actif, avec un taux de sursauts allant jusqu'à 50 par heure. Grâce à sa propriété de répétition, il a été facilement localisé dans une galaxie nommée SDSS J050803.48 + 260338.0 à un redshift z = 0.098 (1,3 milliards d’années-lumière) à la fois par l'Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP), le Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope chinois (FAST), l’américain Very Large Array, et le European Very Long Baseline Interferometry Network européen.
FAST a notamment détecté 1863 sursauts indépendants sur un total de 88 heures entre le 1er avril et le 11 juin 2021, couvrant les fréquences de 1 GHz à 1,5 GHz. Les observations FAST ont permis de découvrir trois caractéristiques inédites des FRBs répétitifs. Ces observations ont montré des variations spectaculaires de la mesure de la rotation de Faraday à l'échelle d'une journée (comment les champs électrique et magnétique de l’onde subissent une rotation sous l’effet d’un champ magnétique externe), avec une variation maximale d'environ 500 rad m-2. Cette variation rapide de la rotation de Faraday ne peut pas être expliquée par les modèles théoriques actuels.
De manière intrigante, l'oscillation de la mesure de rotation de Faraday confirme que la contribution peut changer de signe, ce qui indique l'inversion du champ magnétique le long de la ligne de visée. Pour expliquer ce comportement, Fayin Wang (Université de Nanjing) et ses collaborateurs chinois proposent que le signal répétitif provienne d'un système binaire contenant un magnétar et une étoile de type Be entourée d’un disque de décrétion. Un disque de décrétion est le contraire d’un disque d’accrétion : il s’agit d’un disque de matière qui est éjectée par l’étoile. Les étoiles de type B avec des raies d’émission ( e) sont des étoiles en rotation rapide qui éjectent souvent de la matière et peuvent former un tel disque de décrétion. Un disque d’accrétion, que l’on rencontre surtout autour des astres compacts et un disque de matière attrapée d’une source externe (étoile compagne).
Selon le modèle de Wang et al., lorsque le magnétar s'approche du périastre, les ondes radio qui en émanent passent au travers du disque de décrétion de l'étoile, ce qui conduit naturellement à la mesure de rotation de Faraday variable qui est observée, ainsi qu’à la polarisation particulière, et à la mesure de dispersion. Les chercheurs ont pensé à cet effet car ils avaient remarqué des similitudes avec un pulsar nommé PSR B1259-63, qui est associé à l’étoile Be LS 2883 dans une binaire. L'émission pulsée de PSR B1259-63 montrait également des variations dans ces caractéristiques de rotation de Faraday, de dispersion et de polarisation lorsqu'il s'approche du périastre.
Dans les FRB répétitifs, les variations de la mesure de rotation de Faraday, qui trace sur la ligne de visée l'intensité du champ magnétique et la densité électronique, et les variations de la mesure de dispersion, qui trace dans la ligne de visée la densité électronique seule, sont des informations essentielles sur leur nature et leur moteur central, qui sont encore mal connus. En considérant l'interaction entre un disque d'étoile Be et les sursauts rapides, Wang et ses collaborateurs parviennent à expliquer naturellement les caractéristiques atypiques de FRB 20201124A. Ce modèle reproduit bien la variation de rotation de Faraday avec un champ magnétique de 10 Gauss à la surface stellaire. Ce champ magnétique et les fortes fluctuations de la densité électronique peuvent également générer la dépolarisation observée des sursauts par une rotation de Faraday différentielle le long de différents chemins. Les chercheurs montrent que le champ magnétique perpendiculaire au vecteur d'onde dans le disque, étant du même ordre que le champ magnétique le long de la ligne de visée, peut expliquer la polarisation circulaire observée. Ils doivent pour cela introduire une densité du disque au niveau de la surface de l’étoile qui vaut ρ0 = 3 × 10−14 g cm−3, une valeur typique pour les disques de décrétion d’étoiles Be. Cela implique aussi une période orbitale du couple de 80 jours et une excentricité de 0,75.
Wang et son équipe notent en conclusion qu’il y a quelques mois, un autre FRB, FRB 20190520B, avait montré lui aussi une rotation de Faraday qui variait rapidement avec deux changements de signes, avec une amplitude similaire à celle du pulsar binaire PSR B1259-63. Ils se sont donc amusés à appliquer leur modèle à ce FRB et ils trouvent que la distance de l’écran magnétisé qui peut être responsable de la variation de la rotation de Faraday observée est de l’ordre de la distance séparant les deux étoiles, en considérant une période orbitale de 600 jours. Ils peuvent même en déduire le demi-grand axe du système (8,5 UA) connaissant la distance de cette source de FRB et en faisant une hypothèse sur la masse totale de la binaire (30 masses solaires). Leur modèle prédit que la rotation de Faraday de ce FRB doit avoir un comportement quasi périodique. Inversement, les chercheurs chinois prédisent qu’avec suffisamment d’observations de la rotation de Faraday dans le temps, on peut en déduire la période orbitale du couple magnétar-étoile Be…
Source
Repeating fast radio burst 20201124A originates from a magnetar/Be star binary
F. Y. Wang, G. Q. Zhang, Z. G. Dai & K. S. Cheng
Nature Communications volume 13, Article number: 4382 (21 september 2022)
https://doi.org/10.1038/
Illustration
Evolution de la mesure de rotation de Faraday de FRB 20201124A comparée au modèle proposé (Wang et al.)
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