L'émission radio d'un pôle magnétique d'étoile à neutrons révélée par la relativité générale
Publié par Adrien le 08/09/2019 à 08:00
Source: Observatoire de Paris
En utilisant les données des radiotélescopes d'Arecibo et de Nançay collectées depuis 14 ans, une équipe scientifique dirigée par un chercheur de l'Observatoire de Paris a pu reconstruire le faisceau d'émission radio du pulsar J1906+0746 grâce à la précession (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un objet ou, de façon plus générale, d'un vecteur sous...) relativiste de son axe de rotation. Ces résultats permettent l'étude de l'émission radio (A supprimer) au-dessus du pôle magnétique (Un pôle magnétique est un point de "convergence" des lignes de champ magnétique présentes (contrairement au pôle géographique) ; on parle de pôle nord et de pôle sud.) d'un pulsar (Un pulsar, dont le nom provient de l'abréviation de pulsating radio source (source radio pulsante), est le nom donné à une étoile à neutrons tournant très rapidement sur elle-même (période typique de...), tester la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ...) générale d'Einstein et ont des conséquences sur le taux de coalescence des étoiles a neutrons. Ces résultats sont publiés dans le magazine Science du 6 septembre 2019.

Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide qui concentrent 1,4 fois la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile...) - ou plus ! - dans une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance...) de 20 km de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre...). Ils possèdent un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) extrêmement fort et émettent un faisceau d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) radio au-dessus de chacun de leurs deux pôles magnétiques.

Tel un phare au bord de la mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), l'émission des pulsars est perçue sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...) comme des impulsions avec une régularité qui rivalise la précision des meilleures horloges atomiques. Ces objets massifs et compacts sont ainsi utilisés par les astronomes comme des horloges cosmiques pour tester la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une...) de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie relativiste...) d'Einstein.

La théorie d'Einstein prédit que l'espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise notamment par Minkowski en 1908 dans un exposé mathématique sur la géométrie de...) est déformé par des objets massifs comme les pulsars. Une des prédictions de cette théorie est la précession de l'axe de rotation d'un pulsar lorsqu'il appartient à un système à deux astres. Cette précession est un lent changement d'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) de son axe à la façon d'une toupie ( Une toupie est un jouet destiné à tourner sur lui-même le plus longtemps possible, en équilibre sur sa pointe. On appelle également toupie le réservoir de...) en fin de lancer. Cet effet est dû au mauvais alignement entre l'axe de rotation du pulsar et le moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas des rotations. Comme le moment angulaire dépend du choix de l'origine (ainsi...) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le...) du système causé par une supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement...). Cette précession fait varier la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces...) d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) du pulsar qui peut être étudiée grâce aux impulsions radio reçues.


Fig. 1: PSR J1906+0746: L'effet relativiste de la précession de l'axe de rotation du pulsar permet l'étude du faisceau d'émission. Crédit: Gregory Desvignes (MPIfR - LESIA) & Michael Kramer (MPIfR).

PSR J1906+0746 est situé proche du plan de la Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de...) à une distance d'environ 20 000 années lumières dans la direction de la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation les relie par des lignes imaginaires, traçant ainsi une figure sur...) de l'Aigle. Ce pulsar tourne sur lui-même en 144 ms et orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) d'une autre étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) à neutrons en 4 heures (L'heure est une unité de mesure  :). Les chercheurs observent ce pulsar depuis 2012 avec le radiotélescope (Un radiotélescope est un télescope spécifique utilisé en radioastronomie pour capter les ondes radioélectriques émises par les astres. Ces ondes radio, bien que plus ou moins prédites par...) d'Arecibo à Porto Rico (Porto Rico (localement Puerto Rico) est un État libre associé aux États-Unis avec un statut de commonwealth. Située dans les grandes Antilles, l'île est baignée au nord par...) (Etats-Unis). Pour compléter l'étude, l'équipe a aussi réanalysé des archives du radiotélescope d'Arecibo et celles du radiotélescope de Nançay situé dans le Cher. Au total, les observations couvrent une période allant de juillet 2005 à juin 2018.

L'équipe a pu déterminer que l'émission radio détectée entre 2005 et 2016 provenait des deux pôles magnétiques du pulsar, quand les deux faisceaux radios illuminaient la Terre. En 2016, l'émission radio en provenance de l'un des deux pôles ne fut plus détectée et depuis, seule l'émission radio provenant du deuxième pôle sud (Le pôle Sud est le point le plus au sud de la surface de la Terre, diamétralement opposé au pôle Nord. Il est situé sur le continent Antarctique.) reste détectable.

En utilisant une théorie datant de 1969 qui prédit que la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...) de l'émission radio renseigne sur l'orientation géométrique du pulsar, l'équipe a pu valider ce modèle et mesurer la précession de l'axe de rotation du pulsar avec une incertitude de 5%. Ce résultat est en parfait accord avec la prédiction de la relativité générale d'Einstein.

L'étude permet aussi de prédire la disparition et réapparition de l'émission provenant des deux pôles magnétiques du pulsar. L'émission provenant du dernier pôle visible devrait disparaitre de notre ligne de visée vers 2028 et réapparaitre entre 2070 et 2090. L'émission du premier pôle devrait réapparaitre entre 2085 et 2105.

Ces observations rendent aussi possible des avancées sur la compréhension de l'émission radio des pulsars grâce à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) des propriétés d'émission radio au-dessus d'un pôle magnétique. La reconstruction du faisceau d'émission radio permet finalement de déterminer la fraction du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) qui est illuminée par ce pulsar. Ce paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) affecte le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) estimé de systèmes à deux étoiles à neutrons dans notre Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.) et donc le taux de coalescence de ces systèmes.

Référence

Radio emission from a pulsar's magnetic pole revealed by general relativity, Desvignes, G. et al 2019, Science
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