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Un Magnétar autour d’un Trou Noir : Une Découverte Fortuite A Fort Potentiel

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Le   par
Magnetar
Je vous en parlais à la fin de l’année dernière, un nuage de gaz (nommé G2) est en ce moment en train de s’approcher dangereusement (pour lui) du trou noir supermassif tapi au centre de notre galaxie (voir là). Et depuis sa mise en évidence, de très nombreux télescopes sont braqués vers le centre galactique pour voir les premiers le festin qui va s’ensuivre. En effet, ce nuage de gaz doit passer si près de Sgr A* que ce dernier devrait l’engloutir en produisant de belles bouffées de rayonnements en tous genres.
Et ce qui devait arriver arriva : quelque chose a été détecté… mais ce n’est pas ce qui était attendu ! Il est encore trop tôt, G2 devrait être englouti vers la fin de l’année ou au début de l’année prochaine. En revanche, une équipe, en observant les alentours de Sgr A*, a trouvé un objet émettant très intensément en rayons X, et qui n’est pas G2.
Le télescope spatial NuSTAR (NASA)
C’est avec le télescope spatial dédié aux rayons X NuSTAR, que Fiona Harrison et son équipe ont scruté en détail cet objet et ont pu conclure sur sa nature : il s’agit de ce qu’on appelle un magnétar : un pulsar possédant un champ magnétique très fort, qui lui fait perdre beaucoup d’énergie en faisant spiraler de la matière autour de ses lignes de champ.
Ils ont pu observer très nettement la pulsation des émissions X le 26 avril dernier, avec une période de 3,76 secondes. Quelques jours plus tard, l’observatoire spatial Chandra fut mobilisé pour regarder ce pulsar et calculer sa distance. Il se trouve à moins d’une demi-année-lumière du trou noir (0,38 AL précisément), ce qui est beaucoup plus loin que le nuage G2.
Une semaine plus tard, c’est au tour des satellites NuSTAR  (à nouveau) et Swift d’observer ensemble cette source de rayons X pulsante et d’en conclure qu’il s’agit bien d’un magnétar, sa période de rotation déclinant significativement, du fait de son fort champ magnétique.
Même si il se trouve bien plus loin que le nuage de gaz G2 et bien trop loin pour être avalé par le TN supermassif, ce magnétar se trouve suffisamment près du trou noir supermassif Sgr A*, pour en faire un outil très précieux pour les astrophysiciens. Une découverte fortuite très intéressante.
Vue d’artiste du nuage de gaz G2 approchant SGR A*

Il faut savoir que ce n’est pas le premier magnétar à être trouvé dans cette région de la galaxie, c’est le quatorzième. De tels pulsars sont des résidus de la mort d’étoiles massives très vieilles, qui peuplent abondamment le centre de notre galaxie. Mais ce pulsar-là est le plus proche du TN supermassif
Là où il devient un outil passionnant pour les astrophysiciens, c’est dans l’étude de la relativité générale à proximité de Sgr A*(voir ici). En effet, un pulsar est une étoile à neutrons qui tourne sur elle-même avec une période de rotation et qui produit une pulsation de rayonnement égale à sa période de rotation. C’est en quelque sorte une horloge que l’on peut regarder à distance.
vue d’artiste d’un magnétar
D’après la relativité générale, en présence d’un très fort champ gravitationnel, là où la courbure de l’espace-temps est très prononcée, ce qui est le cas au voisinage d’un trou noir supermassif, le temps doit se ralentir vu par un observateur éloigné.
Un pulsar en orbite autour d’un trou noir supermassif est donc l’outil rêvé pour étudier ces effets temporels. Il faut juste que ce magnétar ait une orbite elliptique, ce qui devrait être le cas. Alors, sa distance au trou noir doit varier entre une valeur maximale et une valeur minimale. Il s’ensuit que sa période de pulsation devrait ralentir et s’accélérer, en fonction de son mouvement autour de Sgr A*…
Il arrive parfois, voire souvent, que des observations mènent à des trouvailles inattendues qui se révèlent incroyablement fructueuses. Il se peut que G2  ne soit même pas un nuage de gaz, mais en le surveillant, on vient peut-être de trouver  un nouveau moyen d’en connaître encore plus sur Sgr A* et la physique centenaire qui le régit.
Référence :
Magnetar found at giant black hole
E.  Reich
Nature 497, 296–297 (16 May 2013)

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La Relativité Générale Indéboulonnable

Le   par
psrJ0348+0432 graphic
Grâce à leur densité extrêmement élevée, les étoiles à neutrons massives peuvent être utilisées pour tester la théorie de la gravitation – la Relativité Générale – dans des conditions extrêmes. C’est ce qu’ont réussi à faire John Antoniadis et son équipe en observant un pulsar de 2 masses solaires. Ils montrent dans un article publié cette semaine dans Science que la perte d’énergie orbitale de ce système binaire (un pulsar lié gravitationnellement à une étoile naine blanche) est totalement en accord avec ce que prédit la théorie d’Einstein. Ils confirment ainsi la validité de la Relativité Générale (RG) dans une configuration de très fort champ gravitationnel, là où certains théoriciens prévoyaient que la théorie d’Einstein ne serait plus valide.
Les étoiles à neutrons ayant une masse supérieure à 1,8 masses solaires produisent un champ gravitationnel énorme qui pourrait sortir du cadre de la relativité générale, c’est du moins ce que pensaient certains physiciens théoriciens. Seulement, pour tester ces idées, il fallait pouvoir observer un cas bien particulier impliquant par exemple un système binaire contenant un pulsar de grande masse et sur lequel on pourrait mesurer la perte d’énergie orbitale par émission d’ondes gravitationnelles.
Vue d’artiste du système pulsar binaire (Antoniadis et al.)

Antoniadis et al. se sont intéressés à un pulsar millisecondes nommé PSR J0348+0432 en observant la structure temporelle de son émission radio (de période 37 ms) ainsi qu’en faisant l’analyse spectroscopique de la lumière de son étoile compagnon, une naine blanche qui lui tourne autour en seulement 2,46 heures.
A partir de ces données, ils ont calculé les masses très précises des deux compagnons, ainsi que des paramètres orbitaux et dynamiques du système, et la perte d’énergie orbitale correspondante.
L’équipe d’astrophysiciens européens et américains signant cette étude montre ainsi que sur une période de suivi de deux ans, la période orbitale du système décroit significativement de 8,6 µs par an.
La masse de PSR J0348+0432 vaut très exactement 2,01 +-0,04 masses solaires. Il s’agit seulement de la deuxième étoile à neutrons à être mesurée avec une masse aussi élevée. Cette mesure confirme par ailleurs l’existence même de ce type d’étoiles à neutrons.
Avec ces valeurs de masses et de période orbitale, la théorie de la Relativité Générale prédit une décroissance orbitale importante.  Et la valeur mesurée par Antoniadis et al. de ce paramètre est en excellent accord avec la valeur prédite par la Relativité Générale, avec un ratio observation/théorie égal à 1,05 +-0,18, on pouvait difficilement faire mieux!
Comme ce pulsar binaire possède une énergie de liaison gravitationnelle 60% plus forte que n’importe quel autre étoile à neutron binaire où ont déjà été détectés des effets d’émission d’ondes gravitationnelles, les mesures de sa décroissance orbitale font de ce système un véritable laboratoire de gravitation en régime extrême.
Les résultats obtenus, très concordants avec la Relativité Générale, confirment ainsi sa validité y compris dans des couplages matière-gravitation extrêmes. Ils permettent en outre de rejeter l’existence de phénomènes à fort champ qui étaient prédits par des théories alternatives.
Ces beaux résultats indiquent d’autre part la pertinence de l’utilisation des principes de la RG pour la détection sur Terre d’ondes gravitationnelles qui seraient produites par des événements violents de type fusion d’étoiles à neutrons ou de trous noirs.
Voies de production possibles de PSR J0348+0432 et futur envisageable.
Mais en plus de produire un test excellent pour la RG en conditions extrêmes, PSR J0348+0432 ouvre également des pistes de compréhension sur l’évolution de la rotation des étoiles à neutron après accrétion de masse.
L’émission continue d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles va continuer à rapprocher les deux compagnons et raccourcir d’avantage leur période orbitale.
Dans 400 millions d’années, la période orbitale du système ne sera plus que de 23 minutes, la naine blanche se sera tellement rapprochée de l’étoile à neutrons que cette dernière pourrait accréter le peu de matière de l’enveloppe qui lui reste pour ne laisser qu’une sorte de planète de fer (le cœur de la naine blanche), à moins que la masse ainsi ajoutée ne fasse dépasser la masse critique au-delà de laquelle l’effondrement en trou noir est inéluctable…
Référence :
 A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Binary
J. Antoniadis et al.
Science Vol. 340 no. 6131 (26 April 2013)
 
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Astronomie bling-bling

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Dur dur d’éviter les poncifs sur l’infiniment grand lorsque l’on parle d’astronomie. C’est donc la tête dans les étoiles (j’avais prévenu, ne m’en voulez pas) que l’on va se pencher sur une découverte 24 carats. Évidemment, avant de venir à l’extraordinaire trouvaille, il va falloir se rafraîchir un peu la mémoire. Tout commence au Max [...]
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