3 Juin 2009

Fermi dévoile les pulsars milliseconde dans un amas globulaire

Mise à jour : 09/09/2009

Il y aurait 60 pulsars milliseconde dans l’amas globulaire 47 Tucanae, tel est le verdict des observations Fermi qui ont pour la première fois pu mettre en évidence l’émission gamma en provenance d’un amas globulaire. Des pulsars milliseconde sont particulièrement abondants dans les amas globulaires, mais pour le moment, les observations radio ou X ont seulement pu en dévoiler 23. Ainsi, les observations gamma permettent pour la première fois un recensement plus complet des pulsars milliseconde dans les amas globulaires, avec à la clé une meilleure compréhension de l’évolution de ces mini galaxies qui datent des premiers ages de l’Univers. Ce résultat est publié dans Science le 14 août 2009.

Vue d'artiste d'un pulsar - crédit : D. King
Vue d'artiste du satellite Fermi - crédit : D. King

Les pulsars milliseconde sont des étoiles à neutrons, résidus de l’explosion d’une grosse étoile d’une dizaine de fois la masse du Soleil. Grâce à leur rotation rapide (jusqu’à 800 tours par seconde), leur fort champ magnétique (~ 108 – 109 Gauss) accélère des particules chargées depuis la surface de l’étoile, ou depuis certaines cavités externes de sa magnétosphère, et produit deux faisceaux de rayonnement qui balaient l’espace comme le faisceau d’un phare. La géométrie de cette émission est complexe et son mécanisme encore mal connu. Il y a quelques mois encore, il n’était pas du tout sûr que l’on puisse détecter des pulsars milliseconde par leur émission gamma car l’énergie disponible pour déclencher et alimenter une émission de haute énergie était estimée être en dessous d’un certain seuil prévu par les modèles.

Le Large Area Telescope à bord du satellite Fermi est en opération depuis août 2008, après un lancement réussi le 11 juin précédent. Sa grande sensibilité a permis en seulement quelque mois de détecter l'émission pulsée de huit pulsars milliseconde, et ainsi à établir les pulsars milliseconde comme nouvelle classe de sources à haute énergie. Une équipe internationale menée par des chercheurs du Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements (CESR) de Toulouse (INSU-CNRS, Université Paul Sabatier) a utilisé le même télescope pour mettre en évidence pour la première fois l’émission gamma de l’amas globulaire 47 Tucanae. Seuls 23 pulsars milliseconde ont été observés au préalable dans les domaines radio et X dans cet amas. En comparant l’émission gamma de l’amas globulaire à celle des huit pulsars milliseconde observés par Fermi, les chercheurs du CESR ont pu déduire que 47 Tucanae abrite une totalité de 60 pulsars milliseconde.

L'amas globulaire 47 Tucanae vu en inforouge proche - crédit : 2MASS
L'amas globulaire 47 Tucanae vu en inforouge proche - crédit : 2MASS

Les amas globulaires sont des systèmes denses et sphériques composés d’étoiles vieilles de ~10 milliards d’années qui se trouvent dans les halos des galaxies.

Ces amas auraient dû s’effondrer sur eux-mêmes depuis longtemps si, par interaction gravitationnelle, les étoiles ne se liaient pas en systèmes doubles, voire triples. L’existence des pulsars milliseconde est une conséquence directe de ce ballet d’étoiles, et leurs observations offrent alors une opportunité inédite pour étudier la stabilité et l’évolution dynamique des amas.

La collaboration FERMI et les contributions françaises

FERMI - crédit : NASA
FERMI - crédit : NASA

La collaboration Fermi inclut la NASA et la DOE du côté américain et des instituts de six pays (Etats-Unis, France, Italie, Japon, Suède et Allemagne).

Côté français, cinq équipes de l’IN2P3/CNRS (LLR, CENBG, LPTA) du CEA (IRFU/SAp) et de l’INSU/CNRS (CESR) y participent.

La structure du calorimètre, réalisée au LLR, constitue la contribution technique à l’instrument. La réponse du détecteur à différents types de particules a été étudiée en détail par les équipes de l’IN2P3 grâce à plusieurs tests sur accélérateurs, en particulier au CERN, et des simulations par ordinateur. Des techniques d’analyse et d’étalonnage sophistiquées ont été développées par ces équipes et seront mises à profit lors du vol. Le groupe du CEA/SAp est en charge de l’établissement du catalogue des sources, le CESR contribuant à l'identification de celles-ci.

Les instruments sur FERMI

Le Large Area Telescope (LAT)

  • Étant donné le nombre de sources de rayonnement gamma possibles dans le ciel, le Large Area Telescope se doit d'avoir un champ de vision large, au-delà de 2 stéradians (1/5 du ciel).
  • Afin d'identifier et d'étudier précisément ces sources, le LAT doit être capable de mesurer la position des sources lumineuses à une minute d'arc près (environ 1/30 du diamètre de la pleine lune).
  • L'étude des rayonnements gamma couvre un large domaine d’énergie, ce qui impose au LAT de pouvoir piéger des photons ayant une énergie comprise entre 30 MeV et plus de 300 GeV. En particulier le LAT sera très sensible au-delà de 10 GeV puisque les connaissances en matière d'objets cosmiques avec de telles énergies sont très limitées.
  • Étant donné que les sursauts de rayonnements gamma peuvent libérer des torrents de rayons gamma en une fraction de seconde, le LAT doit être capable de mesurer ces radiations en un très court laps de temps.
  • Les scientifiques ayant besoin de longues observations pour appréhender un grand nombre de types de sources différents, le LAT se doit de pouvoir être opérationnel pendant de longues années sans interruption.
  • Le volume de rayonnement cosmique étant si important qu'il peut facilement masquer les flux beaucoup plus faibles de rayonnements gamma, le LAT doit pouvoir filtrer 99,999 % des signaux générés par le rayonnement cosmique.

Le Glast Burst Monitor (GBM)

  • Les sursauts gamma (GRB) proviennent de différents endroits du ciel et le GBM doit donc scruter une aussi grande partie du ciel que possible, tout le temps.
  • Afin d'obtenir le maximum d'informations concernant les GRB, le GBM se doit de pouvoir mesurer l'énergie des photons dans un grand domaine d’énergie allant de 8 KeV jusqu'à des niveaux qui côtoyant les limites du domaine d'énergie mesuré par le LAT.
  • Étant donné que la durée de ces GRB peut varier de quelques microsecondes à plusieurs milliers de secondes, le GBM doit pouvoir détecter les GRB sur un large éventail de périodes.

 

Références de l'article

Contacts

  • Contacts scientifiques : Jürgen Knödlseder, Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements, 9, avenue du Colonel-Roche, 31028 Toulouse Cedex 4, 05 61 55 66 63
    ou Natalie Webb, Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements, 9, avenue du Colonel-Roche, 31028 Toulouse Cedex 4,
  • Responsable de la thématique astrophysique : Olivier La Marle

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