Des mesures de précision offrent des indices sur l’origine cosmique du magnétar

Une équipe internationale d’astronomes a utilisé un puissant ensemble de radiotélescopes pour découvrir de nouvelles informations sur un magnétar vieux de quelques centaines d’années seulement. En capturant des mesures précises de la position et de la vitesse du magnétar, de nouveaux indices émergent sur son évolution.

Lorsqu’une étoile relativement massive s’effondre à la fin de sa vie et explose en supernova, elle peut laisser derrière elle une étoile superdense appelée étoile à neutrons. Des forces extrêmes lors de sa formation font souvent tourner les étoiles à neutrons très rapidement, émettant des faisceaux lumineux comme ceux d’un phare.

Lorsque ce faisceau est aligné de manière à être visible depuis la Terre, l’étoile est également appelée pulsar. Et lorsqu’une étoile à neutrons se forme avec une rotation rapide semblable à celle d’un pulsar et un champ magnétique des milliers de fois plus puissant qu’une étoile à neutrons classique, on lui donne le nom de magnétar. Ces étoiles concentrent environ deux fois la masse de notre Soleil dans une taille physique de l’ordre de plusieurs dizaines de kilomètres, soit la taille d’une ville.

Même s’il existe de nombreuses similitudes entre les étoiles à neutrons, les pulsars et les magnétars, les astronomes se demandent toujours quelles conditions poussent ces étoiles extrêmes à évoluer sur des trajectoires aussi distinctes.

Aujourd’hui, une équipe d’astronomes dirigée par Hao Ding de l’observatoire VLBI de Mizusawa, observatoire astronomique national du Japon, a utilisé le réseau à très longue base (VLBA) de l’observatoire national de radioastronomie (NRAO) de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis pour déterminer les caractéristiques clés d’un magnétar récemment découvert avec des niveaux de précision sans précédent.

Actuellement, 30 magnétars ont été confirmés, mais seulement huit d’entre eux sont suffisamment similaires pour être pertinents pour cette étude. Ding et son équipe ont utilisé le NSF VLBA pendant trois ans pour recueillir des données sur la position et la vitesse du magnétar Swift J1818.0-1607, découvert début 2020. Swift J1818.0-1607 est considéré comme le plus jeune magnétar découvert à ce jour, et c’est le magnétar qui tourne le plus rapidement, avec une période de rotation de 1,36 seconde.

Swift J1818.0-1607 se trouve dans la constellation du Sagittaire. Situé de l’autre côté du renflement central de la galaxie, dans la Voie lactée, et à seulement 22 000 années-lumière de la Terre, sa position est relativement proche. Assez proche, en fait, pour utiliser la méthode de parallaxe afin de déterminer avec précision sa position tridimensionnelle dans la galaxie. (La méthode de parallaxe calcule la distance en utilisant le changement apparent de la position d’un objet par rapport à des objets d’arrière-plan connus et distants.)

La durée de vie d’un magnétar est inconnue à l’heure actuelle, mais les astronomes estiment que Swift J1818.0-1607 n’a que quelques centaines d’années. Les émissions de rayons X brillantes d’un magnétar nécessitent un mécanisme de sortie d’énergie extrêmement élevé ; seule la décroissance rapide de son champ magnétique intense peut expliquer la puissance derrière ces signatures spectrales. Mais il s’agit là aussi d’un processus extrême.

Pour les étoiles ordinaires de la séquence principale, les étoiles bleues brillantes ont une durée de vie très courte car elles brûlent leur carburant bien plus vite que leurs consœurs jaunes. La physique est différente pour les magnétars, mais ils ont eux aussi probablement une durée de vie plus courte que leurs cousins ​​les pulsars. « Les magnétars sont très jeunes, car ils ne peuvent pas continuer à produire de l’énergie à ce rythme pendant très longtemps », explique Ding.

De plus, les magnétars peuvent également présenter des émissions dans les basses fréquences du spectre électromagnétique, c’est-à-dire dans les longueurs d’onde radio. Dans ce cas, le rayonnement synchrotron issu de la rotation rapide du magnétar est probablement la source d’énergie.

Dans le cas du rayonnement synchrotron, le plasma entourant l’étoile à neutrons elle-même est si étroitement enroulé contre la surface de l’étoile qu’il tourne à une vitesse presque égale à celle de la lumière, générant des émissions dans les longueurs d’onde radio. Ces émissions radio ont ensuite été détectées par le NSF VLBA au cours de trois années d’observations.

« Le VLBA nous a fourni une résolution angulaire exceptionnelle pour mesurer cette minuscule parallaxe », explique Ding. « La résolution spatiale est sans équivalent. »

Les résultats, publiés en août 2024 dans Lettres du journal astrophysiquedétaille la parallaxe de Swift J1818.0-1607 comme étant parmi les plus petites pour les étoiles à neutrons, et sa vitesse transversale dite comme la plus petite — une nouvelle limite inférieure — parmi les magnétars.

En astronomie, la vitesse est généralement décrite comme ayant deux composantes, ou directions. Sa vitesse radiale décrit la vitesse à laquelle elle se déplace le long de la ligne de visée, ce qui dans ce cas signifie le long du rayon de la galaxie. Pour un magnétar tel que Swift J1818.0-1607, situé de l’autre côté du renflement central, il y a trop de matière sur son chemin pour déterminer précisément la vitesse radiale. La vitesse transversale, parfois appelée vitesse particulière, décrit le mouvement perpendiculaire au plan de la galaxie et est plus facilement discernable.

Alors que les astronomes tentent de comprendre les processus de formation qui sont communs – et ceux qui sont différents – entre les étoiles à neutrons « ordinaires », les pulsars et les magnétars, ils espèrent utiliser des mesures précises de la vitesse transversale pour aider à analyser les conditions qui poussent une étoile à évoluer sur l’une de ces trois voies.

Ding affirme que cette étude renforce la théorie selon laquelle les magnétars ne se forment probablement pas dans les mêmes conditions que les jeunes pulsars, suggérant ainsi que les magnétars apparaissent dans le cadre de processus de formation plus exotiques.

« Nous devons savoir à quelle vitesse le magnétar se déplaçait à sa naissance », explique Ding. Le mécanisme de formation des magnétars reste un mystère que nous aimerions comprendre. »