Le 5 octobre 2020, le cadavre en rotation rapide d’une étoile morte depuis longtemps à environ 30 000 années-lumière de la Terre a changé de vitesse. En un instant cosmique, sa rotation ralentit. Et quelques jours plus tard, il a brusquement commencé à émettre des ondes radio.
Grâce à des mesures opportunes de télescopes en orbite spécialisés, l’astrophysicien de l’Université Rice Matthew Baring et ses collègues ont pu tester une nouvelle théorie sur une cause possible du ralentissement rare, ou « anti-glitch », de SGR 1935 + 2154, un type hautement magnétique de étoile à neutrons connue sous le nom de magnétar.
Dans une étude publié ce mois-ci dans Astronomie naturelleBaring et ses co-auteurs ont utilisé les données de rayons X de la mission X-ray Multi-Mirror de l’Agence spatiale européenne (XMM-Newton) et Neutron Star Interior Composition Explorer de la NASA (PLUS GENTIL) pour analyser la rotation du magnétar. Ils ont montré que le ralentissement soudain aurait pu être causé par une rupture semblable à un volcan à la surface de l’étoile qui a craché un « vent » de particules massives dans l’espace. La recherche a identifié comment un tel vent pourrait modifier les champs magnétiques de l’étoile, engendrant des conditions susceptibles d’activer les émissions radio qui ont ensuite été mesurées par le télescope sphérique à ouverture de cinq cents mètres de la Chine (VITE).
« Les gens ont émis l’hypothèse que les étoiles à neutrons pourraient avoir l’équivalent de volcans à leur surface », a déclaré Baring, professeur de physique et d’astronomie. « Nos découvertes suggèrent que cela pourrait être le cas et qu’à cette occasion, la rupture était très probablement au niveau ou à proximité du pôle magnétique de l’étoile. »
SGR 1935 + 2154 et d’autres magnétars sont un type d’étoile à neutrons, les restes compacts d’une étoile morte qui s’est effondrée sous une gravité intense. Larges d’environ une douzaine de kilomètres et aussi denses que le noyau d’un atome, les magnétars tournent toutes les quelques secondes et présentent les champs magnétiques les plus intenses de l’univers.
Les magnétars émettent un rayonnement intense, y compris des rayons X et occasionnellement des ondes radio et des rayons gamma. Les astronomes peuvent déchiffrer beaucoup de choses sur les étoiles inhabituelles à partir de ces émissions. En comptant les impulsions de rayons X, par exemple, les physiciens peuvent calculer la période de rotation d’un magnétar, ou le temps qu’il faut pour faire une rotation complète, comme le fait la Terre en une journée. Les périodes de rotation des magnétars changent généralement lentement, prenant des dizaines de milliers d’années pour ralentir d’une seule rotation par seconde.
Les pépins sont des augmentations brusques de la vitesse de rotation qui sont le plus souvent causées par des changements soudains au plus profond de l’étoile, a déclaré Baring.
« Dans la plupart des pépins, la période de pulsation devient plus courte, ce qui signifie que l’étoile tourne un peu plus vite qu’avant », a-t-il déclaré. « L’explication du manuel est qu’avec le temps, les couches externes magnétisées de l’étoile ralentissent, mais pas le noyau interne non magnétisé. Cela conduit à une accumulation de contraintes à la frontière entre ces deux régions et à un signal de pépin. un transfert soudain d’énergie de rotation du noyau à rotation plus rapide vers la croûte à rotation plus lente. »
Les ralentissements brusques de rotation des magnétars sont très rares. Les astronomes n’ont enregistré que trois des « anti-pépins », y compris l’événement d’octobre 2020.
Alors que les pépins peuvent être couramment expliqués par des changements à l’intérieur de l’étoile, les anti-pépins ne le peuvent probablement pas. La théorie de Baring est basée sur l’hypothèse qu’ils sont causés par des changements à la surface de l’étoile et dans l’espace qui l’entoure. Dans le nouvel article, lui et ses co-auteurs ont construit un modèle de vent piloté par un volcan pour expliquer les résultats mesurés de l’anti-glitch d’octobre 2020.
Baring a déclaré que le modèle n’utilisait que la physique standard, en particulier les changements de moment cinétique et la conservation de l’énergie, pour tenir compte du ralentissement de la rotation.
« Un vent de particules puissant et massif émanant de l’étoile pendant quelques heures pourrait établir les conditions de la baisse de la période de rotation », a-t-il déclaré. « Nos calculs ont montré qu’un tel vent aurait également le pouvoir de modifier la géométrie du champ magnétique à l’extérieur de l’étoile à neutrons. »
La rupture pourrait être une formation semblable à un volcan, car « les propriétés générales de la pulsation des rayons X nécessitent probablement que le vent soit lancé à partir d’une région localisée à la surface », a-t-il déclaré.
« Ce qui rend l’événement d’octobre 2020 unique, c’est qu’il y a eu une rafale radio rapide du magnétar quelques jours seulement après l’anti-glitch, ainsi qu’une activation d’émissions radio pulsées et éphémères peu de temps après », a-t-il déclaré. « Nous n’avons vu qu’une poignée de magnétars radio pulsés transitoires, et c’est la première fois que nous voyons un allumage radio d’un magnétar presque contemporain d’un anti-glitch. »
Baring a fait valoir que cette coïncidence temporelle suggère que les émissions anti-glitch et radio ont été causées par le même événement, et il espère que des études supplémentaires du modèle de volcanisme fourniront plus de réponses.
« L’interprétation du vent permet de comprendre pourquoi l’émission radio s’allume », a-t-il déclaré. « Cela fournit de nouvelles perspectives que nous n’avions pas eues auparavant. »
Plus d’information:
G. Younes et al, un problème de spin-down de Magnetar ouvrant la voie à des rafales de type FRB et à un épisode radio pulsé, Astronomie naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41550-022-01865-y