La mystérieuse « araignée » cosmique s’est avérée être une source de puissants rayons gamma

Le système binaire a été vérifié par le télescope SOAR exploité par NOIRLab, le premier système trouvé dans l’avant-dernière étape de son développement.

En utilisant le télescope SOAR de 4,1 mètres au Chili, les astronomes ont découvert le premier exemple d’un système binaire où une étoile est en train de se transformer en nain blanc Tourner autour étoile à neutrons Qui vient de finir de se transformer en un spinner rapide pulsar. Cette paire a été découverte à l’origine par le télescope spatial Fermi Gamma Ray, et est le « chaînon manquant » dans l’évolution de ces systèmes binaires.

Une source brillante et mystérieuse de rayons gamma s’est avérée être une étoile à neutrons en rotation rapide – appelée pulsar milliseconde – en orbite autour d’une étoile en train d’évoluer en une naine blanche de masse extrêmement faible. Les astronomes appellent ces types de systèmes binaires des « araignées », car un pulsar a tendance à « manger » les parties externes de l’étoile compagne lorsqu’elle se transforme en naine blanche.

Le duo a été découvert par des astronomes à l’aide du télescope SOAR de 4,1 mètres sur Cerro Pachón au Chili, qui fait partie de l’Observatoire interaméricain de Cerro Tololo (CTIO), un programme de NSF NOIRLab.

NasaLe télescope spatial Fermi Gamma Ray a répertorié des objets dans l’univers qui produisent des rayons gamma abondants depuis son lancement en 2008, mais toutes les sources de rayons gamma qu’il détecte n’ont pas été classées. L’une de ces sources, que les astronomes ont appelée 4FGL J1120.0-2204, était la deuxième source de rayons gamma la plus brillante de tout le ciel qui n’a pas encore été identifiée.

Des astronomes des États-Unis et du Canada, dirigés par Samuel Swehart du US Naval Research Laboratory à Washington, DC, ont utilisé le spectrographe Goodman sur le télescope SOAR pour déterminer la véritable identité de 4FGL J1120.0-2204. La source de rayons gamma, qui émet également des rayons X, comme observé par les télescopes spatiaux Swift de la NASA et le XMM-Newton de l’ESA, s’est avérée être un système binaire composé d’un « pulsar milliseconde » tournant des centaines de fois par seconde, un précurseur à une naine blanche de très faible masse. La paire est située à plus de 2 600 années-lumière.

« Le temps alloué à MSU sur le télescope SOAR, sa position dans l’hémisphère sud et la précision et la stabilité du spectromètre Goodman étaient tous des aspects importants de cette découverte », a déclaré Swihart.

« C’est un excellent exemple de la façon dont les télescopes de taille moyenne en général, et SOAR en particulier, peuvent être utilisés pour aider à caractériser des découvertes extraordinaires qui ont été faites à l’aide d’autres installations terrestres et spatiales », note Chris Davis, directeur du NOIRLab. programme à la National Science Foundation des États-Unis. « Nous nous attendons à ce que SOAR joue un rôle essentiel dans la recherche de nombreuses autres sources de messages multiples variant dans le temps au cours de la prochaine décennie. »

Le spectre optique du système binaire mesuré par le spectromètre de Goodman a montré que la lumière du compagnon de la naine blanche primaire est Doppler – décalée alternativement en rouge et bleu – indiquant qu’elle orbite autour d’une étoile à neutrons compacte massive toutes les 15 heures.

« Les spectres nous ont également permis de contraindre la température approximative et la gravité de surface de l’étoile compagnon », explique Swihart, dont l’équipe a pu prendre ces propriétés et les appliquer à des modèles décrivant l’évolution des systèmes d’étoiles binaires. Cela leur a permis de déterminer que le compagnon est un précurseur d’une naine blanche de masse extrêmement faible, avec une température de surface de 8 200 degrés Celsius (15 000 degrés Fahrenheit) et une masse de seulement 17 % de la masse du Soleil.

Lorsqu’une étoile d’une masse comparable ou inférieure à celle du Soleil atteint la fin de sa vie, l’hydrogène utilisé pour alimenter les processus de fusion nucléaire dans son cœur s’épuise. Pendant un certain temps, l’hélium prend les devants et renforce l’étoile, la faisant rétrécir et se réchauffer, poussant son expansion et son évolution en une géante rouge de plusieurs centaines de millions de kilomètres. Finalement, les couches externes de cette étoile en ballon pourraient s’accumuler sur un compagnon binaire et la fusion nucléaire s’arrêterait, laissant derrière elle une naine blanche à peu près de la taille de la Terre et crachant à des températures supérieures à 100 000 degrés Celsius (180 000 degrés Fahrenheit).

La naine blanche primaire du système 4FGL J1120.0-2204 n’a pas encore fini d’évoluer. « Il est actuellement bombé et son rayon est environ cinq fois plus grand que celui des naines blanches ordinaires de masse similaire », a déclaré Swihart. « Il continuera à se refroidir et à rétrécir, et dans environ deux milliards d’années, il ressemblera à la plupart des naines blanches de très faible masse que nous connaissons déjà. »

Les pulsars millisecondes tournent des centaines de fois par seconde. Il est filé en accumulant la matière d’un compagnon, en l’occurrence d’une étoile devenue naine blanche. La plupart des pulsars millisecondes émettent des rayons gamma et X, souvent lorsque des vents stellaires, un flux de particules chargées émanant d’une étoile à neutrons en rotation, entrent en collision avec la matière émise par une étoile compagnon.

Environ 80 naines blanches de très faible masse sont connues, mais « c’est le premier signe avant-coureur d’une naine blanche de très faible masse découverte susceptible d’orbiter autour d’une étoile à neutrons », explique Swihart. Ainsi, 4FGL J1120.0-2204 est un regard unique à la fin de ce processus de cyclage. Tous les autres binaires nains et pulsars qui ont été découverts ont contourné la phase de rotation.

« La spectroscopie continue avec le télescope SOAR, qui cible des sources de rayons gamma Fermi non apparentées, nous a permis de voir que le compagnon était en orbite autour de quelque chose », explique Swihart. « Sans ces observations, nous n’aurions pas pu trouver ce système passionnant. »

Référence : « 4FGL J1120.0-2204 : Une étoile à neutrons brillante binaire à rayons gamma unique avec une naine blanche primaire très faible » par Samuel J. Quach, Kirill F. Sokolovsky, Elizabeth C. Ferrara, Maqbool, Journal d’Astrophysique.
arXiv : 2201.03589

L’équipe était composée de Samuel J. Swihart (assistant de recherche au National Research Council, National Academy of Sciences et US Naval Research Laboratory, Washington, DC), Jay Strader (Intensive Astronomical Data Center and Time Domain, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Elias Eddy (Department of Physics, McGill University, Canada), Laura Shumyuk (McGill Space Institute, McGill University, Canada), Christine C. Daege (McGill Institute and Department of Physics, McGill University, Canada), Adam Kawash (Intensive Data Center and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University), Kirill F. Sokolovsky (Centre for Intensive Data and Time Domain Astronomy, Department of Physics and Astronomy, Michigan State University) et Elizabeth C. Ferrara (Département d’astronomie de l’Université du Maryland et Centre d’exploration et d’études spatiales (CRESST) du Goddard Space Flight Center de la NASA).