vendredi 21 juin 2024

Observation de la précession de la croûte d'une étoile à neutrons


Hercules X-1 est un pulsar à rayons X situé à environ 7 kpc de la Terre. Son émission varie sur trois échelles de temps distinctes : l'étoile à neutrons tourne sur elle-même toutes les 1,2 s, elle est éclipsée par sa compagne toutes les 1,7 jours, et le système présente une période superorbitale mystérieuse de 35 jours, qui est restée stable depuis sa découverte. Aujourd’hui, une équipe d’astrophysiciens vient de trouver une explication convaincante pour cette oscillation du signal de rayons X. Ils publient leur étude dans Nature Astronomy.

Jeremy Heyl (university of British Columbia) et ses collaborateurs ont observé Hercules X-1 avec le télescope spatial IXPE (lmaging X-ray Polarimetry Explorer) du 17 au 24 février 2022 (pendant 255 ks), au début du cycle de 35 jours, ce que l'on appelle l'état d’émission principale, puis en janvier et février 2023 pendant l'état d’émission courte (148 ks) en plus de l'état d’émission principale (245 ks). Le détecteur de IXPE enregistre l'heure d'arrivée, la position dans le ciel et l'énergie de chaque photon X et utilise l'effet photoélectrique pour fournir une estimation de l'angle de chaque photon. Lors de chaque observation, les événements d'arrivée de photons enregistrés entre des énergies de 2 et 8 keV dans un rayon de 52 arcsec de la position de la source ont été extraits pour être analysés.


Les chercheurs ont suivi l'angle de polarisation pendant la rotation de l'étoile à neutrons afin de déterminer sa géométrie au cours de l'évolution du système pendant la période superorbitale. L’analyse de Heyl et ses collaborateurs se concentre sur la géométrie de l'étoile à neutrons, sa période de rotation, et la période superorbitale. Ils ont utilisé une technique de maximum de vraisemblance pour déterminer les propriétés moyennes de polarisation sur l'orbite du pulsar.

L’analyse montre que l'étoile à neutrons d'Hercule X-1 ne tourne pas comme un corps rigide isolé. Le champ magnétique, dont les astrophysiciens ont mesuré la géométrie grâce à la polarisation du signal, est ancré à la croûte rigide de l'étoile à neutrons et transmet les couples du flux d'accrétion. Pour Hercules X-1, le couple précessionnel total exercé magnétiquement par le disque d'accrétion sur la croûte de l'étoile à neutrons peut être calculé. Il dépend de l'intensité du champ magnétique au pôle de l'étoile à neutrons, du rayon du bord interne du disque d'accrétion et de l'angle de désalignement entre le moment angulaire de l'étoile à neutrons et le moment angulaire de l'orbite. La dépendance de l'angle entre l'axe de rotation et l'axe magnétique dépend des détails de l'interaction magnétique à la surface du disque. En outre, le champ magnétique exerce un couple supplémentaire sur le disque qui tend à le déformer.

Ces deux couples doivent disparaitre si le disque d'accrétion se trouve au-dessus de l'équateur de rotation de l'étoile à neutrons. Mais ici, le désalignement entre l’axe de rotation de l'étoile à neutrons et la normale au plan orbital a été mesuré à au moins 24°, ce qui fait que les couples de précession et de déformation ont des valeurs finies et varient en fonction de l'angle entre l'axe de rotation et l'axe magnétique. En outre, le champ magnétique traverse le cœur de l'étoile à neutrons où il interagit avec le superfluide du cœur, de sorte que le cœur exerce également des couples sur la croûte. Comme le moment d'inertie de la croûte est environ un centième de l'étoile à neutrons entière (1043  g.cm2), la croûte elle-même atteint un équilibre de couple, avec une valeur de couple net sur la croûte qui reste faible.

Ce qu’observent Heyl et son équipe, grâce à la polarimétrie résolue en phase, c’est que l'angle de l'axe de rotation sur le ciel a changé de 9° entre les deux époques d’émission principale, alors que les autres paramètres sont restés identiques dans les limites des incertitudes. Cela indique que le moment angulaire de la croûte de l’étoile à neutrons a changé entre février 2022 et février 2023. Le couple moyen pour obtenir ce résultat sur les 350 j entre les deux observations est de 3 × 1035 dyn.cm, un facteur sept inférieur aux couples que le disque applique sur la croûte.

En outre, les chercheurs montrent qu'entre la période d’émission courte et d'émission principale, il existe des preuves solides que l'angle entre l'axe de rotation et le dipôle magnétique est différent (il est plus grand lors de l'émission principale). Le changement de la valeur de cet angle indique que l'axe de rotation de la croûte s'est déplacé par rapport à l'axe magnétique de l'étoile à neutrons. Cela signifie que la croûte de l’étoile à neutrons précesse !

Une précession à peu près libre de la croûte (qui serait modestement asymétrique) au cours de la période de 35 jours est l'explication la plus conservatrice pour les changements à court terme qui sont observés dans la géométrie de cette étoile à neutrons, selon les chercheurs. Les données de polarimétrie sont compatibles avec une croûte prolate ou triaxiale ; cependant, l'angle entre l'axe de rotation et l'axe de symétrie et celui entre l’axe magnétique et l'axe de symétrie doivent être plus petits que ce qui avait été proposé précédemment : environ 10° au lieu de 30° ou 50°.

Il faut se rappeler que la croûte et le noyau de l'étoile à neutrons sont fortement couplés et, en l'absence de couples, le mouvement relatif entre eux se dissipe sur une échelle de temps allant de quelques minutes à quelques heures. Le couplage entre la croûte et le superfluide à l'intérieur de l’étoile à neutrons est médié par l'épinglage des vortex sur les noyaux atomiques de la croûte, dans un processus appelé « fluage des vortex ». Ces processus dissipatifs atténueraient l'oscillation de la croûte sur une échelle de temps de quelques centaines d'années en l'absence de couples externes. Les couples externes, fournis par l'accrétion dans le cas d'Hercule X-1, peuvent soutenir un équilibre dans lequel les couples externes sur la croûte équilibrent à la fois les couples entre la croûte et le superfluide du noyau et le couple plus important entre la croûte et le superfluide à l’intérieur de la croûte elle-même, de sorte que la croûte peut présenter une précession à peu près exempte de couples. Heyl et son équipe indiquent qu’un couple externe, comme celui exercé par l'accrétion, peut entraîner la précession de la croûte. L'amplitude de la précession dépend alors du comportement à long terme du couple externe.

Lorsque la croûte exécute son mouvement de précession, le couple exercé sur le disque d’accrétion par le champ magnétique de l'étoile à neutrons varie également à la même échelle de temps, car l'angle θ entre l'axe de rotation et l'axe magnétique change. Ces couples excitent ainsi la précession et le gauchissement du disque, des phénomènes qui ont été invoqués pour expliquer l'évolution du système à travers la phase super-orbitale. Leur variation à travers la valeur changeante de θ sur la précession de la croûte de l'étoile à neutrons définit alors l'échelle de temps superorbitale.. Du point de vue de l'étoile à neutrons, ces couples servent à maintenir la précession approximativement libre de la croûte contre la dissipation interne, qui amortirait la précession en quelques centaines d'années. L'amplitude de la précession et, par conséquent, l'ampleur des couples internes nécessaires pour maintenir la précession dépendent de la valeur moyenne des couples d'accrétion sur plusieurs centaines d'années. En revanche, les couples externes dépendent de l'accrétion actuelle. Si ces deux couples diffèrent d'environ 10%, le couple net résultant sur la croûte pourrait entraîner la précession nette observée de l'axe de rotation de la croûte sur le ciel. Finalement, on voit que les observations continues d'Hercules X-1 pourraient contraindre le taux d'accrétion moyen de l’étoile à neutrons au cours des dernières centaines d'années ainsi que les détails du couplage croûte-superfluide.

Les mesures de polarisation avec IXPE ont ainsi révélé que l’angle de polarisation en fonction de la phase de rotation change au cours de la période superorbitale de Hercules X-1, et également sur des échelles de temps plus longues. Les chercheurs interprètent ces observations comme des signatures de la précession libre et de la précession forcée de la croûte de l'étoile à neutrons dans Hercules X-1, ce qui confirme que c’est l'étoile à neutrons elle-même qui est à l’origine de la période superorbitale de 35 jours. Cela révèle aussi que les couples modifient également le moment angulaire de la croûte sur une échelle de temps d'un an. Cette précession forcée peut expliquer les anormalies dans Hercules X-1 et les modulations de la période superorbitale qui se produisent sur une échelle de temps de 5 ans.

D'autres observations en polarisation d'Hercules X-1 permettront d'étudier l'intérieur de l'étoile à neutrons, notamment le couplage entre la croûte et le superfluide, ainsi que la dynamique d'accrétion. Des observations de polarisation d'autres binaires à rayons X montrant des périodes superorbitales, un phénomène assez courant dans ces sources, pourraient aussi permettre de valider les conclusions de cette belle étude.

 

Source

Complex rotational dynamics of the neutron star in Hercules X-1 revealed by X-ray polarization

Jeremy Heyl et al.

Nature Astronomy (18 june 2024)

https://doi.org/10.1038/s41550-024-02295-8

 

Illustrations

1. Vue d'artiste d'une étoile à neutron accrétant dans un système binaire (NASA)

2. Schéma de la géométrie variable de l'étoile à neutrons de Hercules X-1 (Jeremy Heyl et al.)

3. Jeremy Heyl

1 commentaire :

david.van0aelst@gmail.com a dit…

Ça fait longtemps que je vous lis; enfin une bonne orthographe et un bon français chez un scientifique; MERCI, pour ça et le site +++.
David