Les étoiles à neutrons sont l'un des objets astronomiques les plus fascinants de l'univers connu. En plus d'être le type d'étoile le plus dense (à l'exception peut-être des étoiles de quark), ils sont également connus pour former des paires binaires avec des étoiles massives. À ce jour, seulement 39 de ces systèmes ont été découverts, et encore moins ont été détectés qui étaient composés d'une étoile massive et d'une étoile à neutrons de rayons gamma à très haute énergie (VHE).
À ce jour, seuls deux de ces systèmes ont été découverts, dont le deuxième a été découvert il y a quelques années à peine par une équipe d'astronomes internationaux connue sous le nom de collaboration VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System). En plus d'être une découverte rare, la découverte a également été très heureuse, car le comportement inhabituel qu'ils ont observé en provenance de ce système ne se reproduira pas avant 2067.
En termes simples, les étoiles à neutrons sont les restes denses d'une étoile qui a explosé dans une supernova, laissant derrière lui un objet extrêmement dense et compact qui tourne rapidement. Cela provoque une étoile à neutrons à générer de puissants champs magnétiques qui concentrent son rayonnement dans un faisceau étroit, qui apparaît comme un phare lorsqu'il est vu de face. Lorsque ces faisceaux se croisent avec la Terre, les astronomes peuvent détecter ces impulsions à la radio et à d'autres longueurs d'onde.
Comme il est courant pour les étoiles massives de former des paires binaires, il n'est pas surprenant que certains pulsars aient un compagnon en orbite qui a survécu à son partenaire qui est devenu supernova. Il est également fréquent que ces systèmes disposent de disques de débris, qui sont affectés par le pulsar à rotation rapide. Lorsque le rayonnement entre en collision avec des débris, il crée des particules chargées qui peuvent être accélérées à presque la vitesse de la lumière, ce qui entraîne des rayons gamma à très haute énergie (VHE).
En utilisant les quatre télescopes de 12 m de l'Observatoire Fred Lawrence Whipple, qui est exploité par le Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO), la collaboration VERITAS a commencé à suivre ce qui était censé être un système de pulsar à rayons gamma VHE en 2016. Cette source est située dans une pépinière stellaire massive à environ 5000 années-lumière de la Terre en direction de la constellation du Cygne.
Avec l'aide d'une équipe d'astronomes qui ont utilisé les deux télescopes Cherenkov Imaging Gamma Imaging Atmospheric Gamma (MAGIC) (situés à l'observatoire El Roque de Los Muchachos aux Canaries), l'équipe a découvert que le pulsar avait un énorme compagnon stellaire qui l'orbite tous les 50 ans sur une orbite extrêmement elliptique. Les deux équipes ont également calculé que les étoiles seraient aux points les plus proches de leur orbite d'ici le 13 novembre 2017, et ne le seraient pas avant 2067.
Les directeurs de la collaboration VERITAS avaient auparavant entamé une participation avec d'autres astronomes pour surveiller ce système avant, pendant et après son approche la plus proche. À l'aide des quatre télescopes de l'Observatoire Fred Lawrence Whipple, ils ont détecté les rayons gamma des éclairs extrêmement brefs de rayonnement Cherenkov qui apparaissent dans le ciel lorsqu'ils sont absorbés par l'atmosphère terrestre.
Les premières observations, menées en 2016, ont révélé de faibles émissions de rayons gamma, qui étaient compatibles avec le fait que le système binaire était intégré dans une pépinière stellaire. «Cette émission régulière de faible niveau provient très probablement d'une nébuleuse alimentée en continu par le pulsar», a déclaré Ralph Bird, chercheur post-doctoral à l'Université de Californie à Los Angeles, qui a joué un rôle de premier plan dans la campagne VERITAS.
Les scientifiques ont donc attendu que les étoiles atteignent le point le plus proche de leur orbite pour voir s'il y aurait un changement. Selon Alicia López Oramas, chercheuse au MAGIC à l'Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), et l'un des auteurs correspondants de l'étude, «un tel système unique devait émettre des rayons gamma à très haute énergie lors de cette approche et cette occasion ne pouvait pas être manquée. »
En septembre, les choses ont commencé à changer radicalement. Tyler Williamson, un étudiant diplômé du Département de physique et d’astronomie de l’Université du Delaware et un autre contributeur clé de VERITAS, a indiqué:
«Le flux gamma que nous avons observé en septembre était le double de la valeur précédente. Lors de l'approche la plus proche entre l'étoile et le pulsar, en novembre 2017, le flux a augmenté 10 fois en une seule nuit. »
Afin d'expliquer ce comportement, l'équipe a apparié des modèles théoriques basés sur les dernières théories sur les pulsars, les disques de débris et les émissions résultantes à leurs observations. Cela s'est avéré infructueux, ce qui les a amenés à conclure que des révisions importantes sont nécessaires, ce qui comprend de meilleures informations sur la rencontre entre les deux étoiles.
En bref, davantage d'observations de cette paire binaire sont nécessaires avant de pouvoir effectuer une modélisation appropriée. Cela n'est pas surprenant car ce système n'est que le deuxième cas d'un système pulsar binaire présentant une émission de rayons gamma VHE. Néanmoins, les observations recueillies par les deux équipes étaient inestimables, étant donné que toutes les explications précédentes sur le comportement des binaires pulsars à rayons gamma VHE étaient de la spéculation.
Dans les années à venir, les scientifiques prévoient de continuer à observer ce pulsar et d'autres pour surveiller le comportement exotique provenant de ce type extrême d'objet. Et si des modèles appropriés peuvent être développés pour ce système particulier, il sera d'une immense valeur pour les scientifiques, offrant un aperçu de la naissance et de l'évolution des objets compacts - allant des pulsars aux systèmes de trous noirs binaires.
Comme Wystan Benbow, un astrophysicien du CfA, l'a déclaré, "un investissement continu dans l'exploitation d'installations de pointe uniques comme VERITAS est essentiel et garantira de nouvelles opportunités pour réaliser la science transformatrice."
La collaboration VERITAS est un groupe de 80 scientifiques de 20 institutions basées aux États-Unis, au Canada, en Allemagne et en Irlande. L’étude qui décrit leurs résultats est récemment parue dans le Lettres du journal astrophysique. L’observatoire Fred Lawrence Whipple est exploité par le Smithsonian Astrophysical Observatory’s (SAO).
