Observation inédite d’un jet relativiste provenant d’une étoile à neutrons fortement magnétisée

Les jets relativistes sont des flux de particules relativistes à très haute énergie produits par certains objets cosmiques comme les trous noirs (disque d’accrétion) ou encore les étoiles à neutrons. D’après les modèles théoriques, complétés par diverses observations, tous les types de trous noirs et d’étoiles à neutrons en accrétion peuvent émettre des jets relativistes, exceptées les étoiles à neutrons possédant de très puissants champs magnétiques. Cependant, la récente observation d’un jet relativiste provenant d’une étoile à neutrons fortement magnétisée pourrait remettre en cause les modèles actuels.

Trous noirs et étoiles à neutrons sont les deux principales sources cosmiques de jets astrophysiques relativistes. Pour les premiers, ces jets proviennent des phénomènes de friction thermique de la matière au sein du disque d’accrétion, couplés aux fluctuations des lignes de champ magnétique. Pour les secondes, ce sont les reconnexions magnétiques dans le plasma stellaire qui en sont à l’origine. Mais les jets relativistes peuvent également provenir de l’accrétion (absorption) de matière par les trous noirs ou les étoiles à neutrons.

Les modèles physiques et les observations effectuées au cours de ces dernières années suggèrent que n’importe quel trou noir ou étoile à neutrons en situation d’accrétion peut être à l’origine de jets relativistes. Les astrophysiciens ont toutefois déterminé une limite d’intensité du champ magnétique à partir de laquelle une étoile à neutrons ne peut plus produire de jets.

Ainsi, les étoiles à neutrons dont le champ magnétique est supérieur à 10¹² gauss sont ordinairement exclues des sources cosmiques de jets relativistes, l’intensité de leur champ magnétique étant réputé inhiber la formation de ces jets.

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Néanmoins, il se pourrait que les modèles soient en réalité à revoir. En effet, une équipe internationale d’astrophysiciens rapporte, dans la revue Nature, l’observation d’un jet relativiste en provenance d’une étoile à neutrons — située à 24’000 années-lumière de la Terre, dans la constellation de Cassiopée — au champ magnétique extrêmement intense, accrétant de la matière au-delà de la limite théorique maximale posée par la limite d’Eddington (luminosité maximale qu’un astre ne peut dépasser). L’observation a été réalisée via le réseau de radiotélescopes Very Large Array (VLA).

Une étoile à neutrons est la dernière phase de l’évolution d’une étoile massive. Une fois que cette dernière a explosé en supernova de type II (effondrement de cœur), le cœur se contracte et s’effondre sous l’effet de la gravité et devient extrêmement dense. Si la masse résultante se situe entre la limite de Chandrasekhar et la limite d’Oppenheimer-Volkoff (c’est-à-dire entre 1.44 et 3 masses solaires), alors une étoile à neutrons se forme.

Cet effondrement du coeur conduit à un emballement du champ magnétique. « Cela entraîne une augmentation drastique de l’intensité du champ magnétique jusqu’à atteindre plusieurs milliards de milliards de fois celle du Soleil. Elle diminue ensuite progressivement sur plusieurs centaines de milliers d’années » explique James Miller-Jones, astrophysicien au Curtin University and the International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR).

Swift J0243 : l’étoile à neutrons qui remet en cause les modèles théoriques

Lorsqu’une étoile à neutrons possède un compagnon, elle peut accréter de la matière à partir de celui-ci. C’est le cas de l’étoile à neutrons observée par les chercheurs, qui fait partie d’un système binaire appelé Swift J0243.6+6124, découvert par le télescope spatial multi-spectral Swift en octobre 2017.

Les astrophysiciens ont détecté des émissions radio en provenance du système binaire, puis les ont combinées avec les observations de Swift menées dans la gamme des rayons X. Après avoir analysé les données, ils ont conclu que les émissions radio concordaient bien avec des jets relativistes, mais ces derniers se sont révélés 100 fois moins intenses que les jets ordinairement observés en provenance des autres étoiles à neutrons.

Cette vidéo montre la manière dont un jet relativiste est émis à partir du système binaire Swift J0243.6+6124 :

« Le spectre radio de Swift J0243 est le même que celui d’autres sources et évolue de la même façon. La luminosité radio est également proportionnelle au gaz accrété, comme on le voit pour d’autres systèmes binaires à l’origine de jets relativistes. Donc, pour la première fois, nous avons observé un jet provenant d’une étoile à neutrons avec un puissant champ magnétique » affirme Jakob van den Eijnden, astrophysicien à l’université d’Amsterdam.

En effet, le champ magnétique de Swift J0243 est environ 10 milliards de milliards de fois plus intense que le champ magnétique solaire. Une telle découverte remet donc en cause les modèles actuels suggérant que, pour les étoiles à neutrons possédant un puissant champ magnétique, ce dernier bloque les phénomènes de friction au sein du disque d’accrétion stellaire, empêchant ainsi la formation de jets. Il se pourrait que dans ces cas-là, ce soit l’énergie de rotation de l’étoile qui alimente ces jets, d’où leur relative faiblesse par rapport aux autres étoiles.

« Quelque soit l’explication, notre découverte est un très bon exemple du fonctionnement de la science : des théories sont développées, testées avec des observations et corrigées en cas de résultats contradictoires. Cela nous offre également un nouveau type de source pour étudier comment le champ magnétique affecte l’émission de ces jets, nous aidant à mieux comprendre ce mécanisme clé de l’Univers » conclut Miller-Jones.

Source : Nature