Découverte du premier pulsar milliseconde dans le centre galactique

Une équipe d’astrophysiciens vient de découvrir le premier pulsar milliseconde clairement identifié, dans le centre galactique. Il se trouve à proximité immédiate d’un grand filament radio. La découverte est publiée dans The Astrophysical Journal Letters.

La recherche de pulsars à l'intérieur et autour du centre galactique s'est avérée ardue et en grande partie infructueuse. A ce jour, seule une poignée de pulsars à longue période avec des mesures de dispersion (DM) élevées (dispersion des fréquences en fonction du temps d’arrivée des photons) ont été trouvés lors de recherches en aveugle, en plus du magnétar SGR 1745-2900. Pourtant, il existe des preuves significatives d'une population importante de pulsars résidant au centre de la Galaxie, notamment comme explication de l'excès de rayons gamma qui est observé par le satellite Fermi. En outre, le centre galactique abrite de nombreux restes de supernovas et une pléthore d'autres structures. Parmi ces structures, on trouve des filaments radio non thermiques allongés qui tracent des lignes de champ magnétique principalement perpendiculaires au plan galactique. L'origine exacte de ces filaments et la source des particules énergétiques qui alimentent leur émission sont actuellement inconnues, bien que des liens aient été établis entre ces structures et les pulsars. Et ce lien a été renforcé par la découverte que de nombreux filaments semblent contenir des sources radio compactes. Les filaments magnétiques peuvent être le résultat de vents de rayons cosmiques entraînés par l'activité du centre galactique.

L’un de ses filaments a été dénommé le « Snake », en raison de sa forme très particulière. Il fait 70 pc de long pour seulement 1 pc de large, il est perpendiculaire au plan galactique et se situe à moins de 1° du centre galactique. Ce filament est caractérisé par une sorte de cassure (un coude) vers son milieu. En février dernier, une Yusef-Zadeh et ses collaborateurs ont identifié une source ponctuelle (G359.13142-0.20005) entourée d'une structure diffuse dans les images radio de MeerKAT du coude du Serpent. Yusef-Zadeh et al. ont postulé que la source ponctuelle était une étoile à neutrons intégrée dans une nébuleuse de vent de pulsar (PWN) et que son mouvement rapide (500-1000 kms-1) à travers le milieu dense produit la queue observée. Selon eux, l'étoile à neutrons pourrait donc avoir traversé le Serpent dans un passé récent, ce qui aurait provoqué sa déformation.

Motivés par l'article de Yusef-Zadeh et al., Marcus E. Lower et ses collaborateurs ont effectué une recherche de pulsars centrée sur leur candidat putatif à l’aide du radiotélescope australien Murriyang (alias Parkes). Ils n’ont trouvé aucune impulsion radio à partir de la position de G359.13142-0.20005, le coude du Snake, mais en revanche, non loin de là sur le ciel, ils ont découvert une autre source radio, belle et bien périodique, un pulsar qui a été nommé PSR J1744-2946. Et ce pulsar tourne vite : sa période est de 4,8 ms. Il s’agit donc du premier pulsar milliseconde à être trouvé dans le centre galactique.

Ce pulsar n’est donc pas lié au filament du Serpent puisqu’il en est éloigné d’1 minute d’arc, mais Lower et ses collaborateurs  montrent que ce pulsar milliseconde est la source probable d'un autre filament radio non thermique, qu’ils ont baptisé le filament Sunfish.

Lower et son équipe ont également déterminé que ce pulsar milliseconde, comme souvent pour les pulsars de ce type, ne vit pas seul : il est en couple avec une toute petite étoile de masse minimale de 0,05 masses solaires sur une orbite circulaire avec une période de 4,8 heures. Les caractéristiques du signal radio de PSR J1744-2946 sont en outre très extrêmes : sa mesure de dispersion (673,7 ± 0,1 pc cm^-3) et sa rotation de Faraday (rotation du vecteur de polarisation dans le champ magnétique, 3011 ± 3 rad m^-2) sont les plus grandes valeurs jamais vues pour des pulsars millisecondes.

Cette découverte du premier pulsar milliseconde situé à moins de 1° du centre galactique laisse entrevoir une grande population de ces objets qui devraient être détectables par des relevés à haute fréquence. Pour les chercheurs, l'association avec un filament indique que les pulsars seraient la source d'énergie responsable de l'illumination des filaments radio du centre galactique. Lower et ses collaborateurs montrent que la morphologie du filament Sunfish est remarquablement similaire à celle du Snake voisin. Un coin triangulaire diffus d'émission radio semble relier le pulsar à une structure linéaire plus large. Le niveau potentiellement bas de l'émission radio de de PSR J1744-2946 semble cohérent avec l'absence de contrepartie en rayons X, ainsi qu'à la faible luminosité de surface du filament Sunfish, compte tenu de l'échelle attendue entre la luminosité du filament et celle du pulsar.

Comme cela avait été suspecté pour le coude majeur dans le Serpent par Yusef-Zadeh et al., la caractéristique en forme de coin pourrait être le résultat d’une traversée du filament du Sunfish par  PSR J1744-2946. Son orientation pourrait alors indiquer la direction du mouvement du pulsar. Pour une vitesse transverse typique de pulsar de ∼100 km s^-1 et une distance de 8,4 kpc, le pulsar ne mettrait que ∼7600 ans pour parcourir la distance de 19'' qui sépare la partie linéaire du filament du Sunfish et sa position actuelle. Cette durée est bien inférieure à la durée de vie attendue d'un pulsar, ce qui lui laisse amplement le temps d'injecter de l'énergie dans le filament. L'association entre PSR J1744-2946 et le filament Sunfish sera testée grâce aux futures mesures de son mouvement propre et de sa distance obtenue par interférométrie à très longue base.

La détection d'une grande population de pulsars millisecondes conforterait l'idée que l'excès de rayons gamma détecté par Fermi dans la gamme du GeV dans cette région provient d'une telle population, et non de l’annihilation de particules de matière noire. Son association avec le filament du Sunfish, aux côtés du pulsar putatif dans le Snake, indique que les pulsars pourraient être la source d'énergie responsable de la dynamisation des filaments radio du centre galactique. Dans un futur proche, en plus de son mouvement précis, une mesure de l'énergie émise par PSR J1744-2946 permettra de mesurer l'efficacité avec laquelle son énergie de rotation du pulsar est transférée à ces structures étonnantes du centre galactique.

 

Source

 

A Millisecond Pulsar Binary Embedded in a Galactic Center Radio Filament

Marcus E. Lower,

The Astrophysical Journal Letters, Volume 967, Number 1 (20 may 2024)

https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad4866

 

Illustrations

1. Le filament Snake (à droite) imagé par MeerKAT (South African Radio Astronomy Observatory (SARAO))

2. Image large des filaments du centre galctique (MeerKAT/SARAO)

3. Localisation précise de  PSR J1744-2946 (Lower et al.)

4. Marcus Lower