Amaris McCarver, stagiaire en télédétection au Laboratoire de recherche navale (NRL) des États-Unis, et une équipe d’astronomes ont découvert une étoile à neutrons en rotation rapide qui projette des faisceaux de rayonnement à travers l’univers comme une balise cosmique.
L’étoile à neutrons à rotation rapide, ou « pulsar », se trouve au sein de l’amas d’étoiles dense Glimpse-CO1, situé dans le plan galactique de la Voie Lactée, à environ 10,7 années-lumière de la Terre. Ce pulsar, qui tourne des centaines de fois par seconde, est le premier du genre découvert dans l’amas d’étoiles Glimpse-CO1. Le Very Large Telescope Array (VLA) a repéré le pulsar, appelé GLIMPSE-C01A, le 27 février 2021, mais il est resté enfoui dans une énorme quantité de données jusqu’à ce que McCarver et ses collègues le trouvent à l’été 2023.
Non seulement les conditions extrêmes de ces étoiles à neutrons en font des laboratoires idéaux pour étudier la physique dans des conditions qu’on ne trouve nulle part ailleurs dans l’univers, mais leur synchronisation extrêmement précise signifie également que les amas de pulsars peuvent être utilisés comme horloges cosmiques. Ces groupes sont si précis qu’ils sont capables de mesurer de très petites contractions et compressions qui se produisent lors du passage d’ondulations dans l’espace et dans le temps, appelées ondes gravitationnelles. Une application pratique potentielle de ce système est la création d’un « système de positionnement céleste » qui pourrait être utilisé dans la navigation spatiale.
MacCarver et son équipe ont découvert l’objet en enquêtant sur des images prises par l’expérience VLITE (Low-Scale Ionosphere and Transients Experiment) du VLA pour rechercher de nouveaux pulsars dans 97 amas d’étoiles.
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« C’était passionnant si tôt dans ma carrière de voir un projet visionnaire réussir autant », déclare McCarver, l’un des 16 stagiaires de la Direction des capteurs radio, infrarouges et optiques du Centre de recherche du LNR. Il a déclaré dans un communiqué :
Étoiles mortes de l’univers
Comme toutes les étoiles à neutrons, les pulsars millisecondes naissent lorsque les étoiles dont la masse est supérieure à huit fois la masse du Soleil atteignent la fin de leur vie. Une fois que l’approvisionnement en combustible nécessaire à la fusion nucléaire est épuisé, l’énergie externe qui soutient ces étoiles contre la poussée vers l’intérieur provoquée par leur propre gravité s’arrête.
Cela provoque l’effondrement des noyaux de ces étoiles et déclenche des ondes de choc dans les couches externes des étoiles, leur faisant perdre la majeure partie de leur masse lors d’explosions massives de supernova.
Le noyau stellaire comprimé écrase les électrons et les protons ensemble, créant une mer de neutrons, des particules neutres normalement piégées dans les noyaux atomiques aux côtés de protons chargés positivement. Cette soupe riche en neutrons est si dense que si une cuillère à soupe en était ramenée sur Terre, elle pèserait plus d’un milliard de tonnes. C’est plus lourd que la plus grande montagne de notre planète, le mont Everest (ironiquement, ce pulsar a été trouvé sous une montagne de données).
La création d’une étoile à neutrons avec la masse du Soleil entassée sur une largeur d’environ 20 kilomètres a également d’autres conséquences extrêmes. Grâce à la conservation du moment cinétique, la diminution rapide du rayon du noyau de l’étoile morte accélère sa rotation. C’est l’équivalent cosmique d’un patineur tirant ses bras pour augmenter sa vitesse de rotation, mais à un tout autre niveau qui permet à certaines étoiles à neutrons d’atteindre des vitesses de rotation allant jusqu’à 700 tours par seconde.
Les pulsars millisecondes peuvent également obtenir une augmentation de vitesse en éliminant la matière d’une étoile compagnon proche, comme un vampire cosmique. Cette matière entraîne également un moment cinétique.
La naissance d’une étoile à neutrons rapproche également les lignes de champ magnétique, générant certains des champs magnétiques les plus puissants de l’univers.
Les lignes de champ transportent ces particules chargées vers les pôles des pulsars en rotation rapide, d’où elles émergent sous forme de jets. Ces jets sont accompagnés de faisceaux de rayonnement électromagnétique qui peuvent pointer périodiquement vers la Terre lorsqu’ils parcourent la rotation du pulsar. Ceci est responsable de la façon dont le pulsar semble s’éclaircir périodiquement. Le nom « pulsar » fait en fait référence au fait que lorsqu’elles ont été découvertes pour la première fois par Jocelyn Bell Burnell le 28 novembre 1967, les scientifiques pensaient que ces étoiles extrêmement mortes étaient en réalité des pulsars.
Après avoir trouvé GLIMPSE-C01A dans de grandes quantités de données du VLA, l’équipe a confirmé son existence en retraitant les données d’archives du ciel du télescope Robert C. Byrd Green Bank.
« Cette recherche met en évidence comment les radiomètres de luminosité à différentes fréquences peuvent être utilisés pour trouver efficacement de nouveaux pulsars, et que les relevés du ciel sont disponibles en conjonction avec la montagne de données VLITE signifie que ces mesures sont essentiellement toujours disponibles. » « Cela ouvre la porte à une nouvelle ère de recherche de pulsars hautement diffus et hautement accélérés. »
Emil Polisinski, également astronome à la Division de télédétection du Laboratoire national de recherche, a ajouté dans le communiqué : « Les pulsars millisecondes offrent un moyen prometteur de guider de manière autonome les engins spatiaux depuis l’orbite terrestre basse vers l’espace interstellaire, indépendamment du contact avec la Terre et de la disponibilité d’un système. » « La confirmation de la découverte d’un nouveau pulsar milliseconde par Amaris met en évidence le potentiel passionnant de la découverte utilisant les données VLITE du Laboratoire national de recherche et le rôle clé que jouent les étudiants stagiaires dans la recherche de pointe. »
Les recherches de l’équipe sont détaillées dans un article publié le 27 juin dans The Journal d’astrophysique.