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Découverte du champ magnétique le plus puissant jamais détecté dans l’Univers

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| Salvatore Orlando/INAF - Osservatorio Astronomico di Palermo

Les pulsars sont des objets astronomiques massifs issus d’étoiles à neutrons et produisant un signal périodique (allant de la milliseconde à plusieurs secondes). Tournant très rapidement sur eux-mêmes, ces objets cosmiques émettent de puissants rayonnements dans la direction de leur axe magnétique. Récemment, l’équipe du télescope spatial à rayons X chinois Insight-HXMT a fait une découverte surprenante : après des observations approfondies du pulsar à rayons X GRO J1008-57 en cours d’accrétion, les chercheurs ont mesuré un champ magnétique à la surface de l’étoile à neutrons d’environ 1 milliard de Tesla ! Il s’agit du champ magnétique le plus puissant jamais détecté de manière concluante dans l’Univers.

Alors qu’ils étudiaient le pulsar à rayons X GRO J1008-57 détecté par Insight-HXMT lors de son explosion en août 2017, les chercheurs ont découvert pour la première fois une caractéristique de diffusion résonante cyclotronique (CRSF) à 90 keV, à un seuil supérieur à 20 sigmas (20σ). (Pour que la communauté scientifique confirme une nouvelle découverte, le seuil de signification doit être supérieur à 5σ). Selon les calculs théoriques, le champ magnétique qui correspond à ce CRSF est de 1 milliard de Tesla, soit des dizaines de millions de fois plus puissant que ce qui peut être généré dans les laboratoires terrestres.

Ce travail a été principalement mené par l’Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de l’Académie chinoise des sciences et de l’Université Eberhard Karls de Tübingen, en Allemagne. Les résultats ont été publiés dans la revue The Astrophysical Journal Letters.

Un environnement extrême donnant lieu à des phénomènes tout aussi extrêmes

À ce jour, nous savons que les étoiles à neutrons génèrent les champs magnétiques les plus puissants de l’Univers. Les binaires X (ou binaires de rayons X) sont des systèmes composés d’une étoile à neutrons et d’un compagnon stellaire normal. L’étoile à neutrons accrète de la matière et forme un disque d’accrétion environnant. Si le champ magnétique est fort, la matière accrétée est canalisée par des lignes magnétiques sur la surface de l’étoile à neutrons, ce qui entraîne des radiations de rayons X. C’est également pour cette raison que ces sources extrêmes de rayons X sont appelées « pulsars ». Ci-dessous, une animation montrant un pulsar accrétant de la matière de son étoile compagnon, et émettant un rayonnement puissant [© NASA/Dana Berry] :

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Les pulsars sont issus de l’explosion d’une étoile massive en fin de vie, l’explosion de supernova (plus précisément supernova à effondrement de cœur). Bien entendu, toute supernova à effondrement de cœur ne donne pas forcément naissance à un pulsar. Dans certains cas, une supernova laisse place à un trou noir.

Des études antérieures ont montré qu’une caractéristique d’absorption particulière (connue sous le nom de « caractéristique de diffusion résonnante cyclotronique ») peut parfois être détectée dans le spectre des pulsars à rayons X. Les scientifiques pensent que cela est dû à des transitions entre les niveaux de Landau discrets du mouvement électronique perpendiculaire au champ magnétique. Une telle caractéristique de diffusion agit comme une sonde directe du champ magnétique près de la surface de l’étoile à neutrons.

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Détecter les champs magnétiques les plus puissants de l’Univers à l’aide d’instruments de pointe

Insight-HXMT est le premier satellite chinois d’observation astronomique à rayons X. Il comprend des charges utiles scientifiques, notamment un télescope à haute énergie, un télescope à moyenne énergie, un télescope à basse énergie et un moniteur d’environnement spatial.

Par rapport aux autres satellites à rayons X, Insight-HXMT présente des avantages exceptionnels pour la détection des raies cyclotroniques (en particulier aux hautes énergies), grâce à sa couverture spectrale à large bande (1-250keV), sa grande surface effective aux hautes énergies, sa haute résolution temporelle, son faible temps mort et ses effets d’empilement négligeables pour les sources lumineuses. Insight-HXMT a été proposé par l’IHEP en 1993 et a été lancé avec succès en juin 2017. L’IHEP est responsable des charges utiles scientifiques à bord du satellite, des segments terrestres et de la recherche scientifique impliquant ce satellite.

Source : The Astrophysical Journal Letters

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