De nouvelles recherches de l’Université du Kansas démêlent un puzzle astrophysique vieux de plusieurs décennies, montrant comment des forces concurrentes – l’attraction gravitationnelle et le plasma magnétosphérique – divisent les émissions radio émanant du Crab Pulsar, le reste d’une supernova observée par d’anciens astronomes en 1054 CE, en « rayures » parfaitement espacées.
En 1054 de notre ère, les astronomes chinois furent surpris par l’apparition d’une nouvelle étoile, si brillante qu’elle était l’objet le plus brillant du ciel nocturne, juste derrière la Lune, et qu’elle était visible en plein jour pendant 23 jours. L’explosion stellaire a également été enregistrée par des astronomes japonais, arabes et amérindiens.
Aujourd’hui, la nébuleuse du Crabe est visible à l’emplacement de cette étoile brillante. Également connue sous les noms de Messier 1, M1, NGC 1952 et Taurus A, elle se situe à environ 6 500 années-lumière dans la constellation du Taureau.
La nébuleuse du Crabe a été identifiée pour la première fois en 1731 par le médecin, électricien et astronome anglais John Bevis et redécouverte en 1758 par l’astronome français Charles Messier. Il tire son nom de son apparition dans un dessin réalisé par l’astronome irlandais Lord Rosse en 1844.
Le Crab Pulsar, également connu sous le nom de PSR B0531+21, est l’étoile centrale de la nébuleuse du Crabe.
Parce qu’elles sont proches et faciles à observer, l’étude de la nébuleuse du Crabe et du pulsar du crabe donne aux astronomes un aperçu des nébuleuses, des supernovae et des étoiles à neutrons en général.
« La gravité modifie la forme de l’espace-temps », a déclaré le professeur Mikhail Medvedev de l’Université du Kansas, auteur de la nouvelle étude.
« La lumière ne se déplace pas en ligne droite dans un champ gravitationnel parce que l’espace lui-même est courbé », a-t-il déclaré.
« Ce qui serait droit dans un espace-temps plat devient courbé en présence d’une forte gravité. En ce sens, la gravité agit comme une lentille dans un espace-temps courbe. »
Bien que les lentilles gravitationnelles aient été largement discutées dans le contexte des trous noirs, c’est le seul cas où les astronomes voient un « bras de fer » entre le plasma et la gravité façonnant le signal observé.
« Dans les images de trous noirs, la gravité seule façonne la structure », a déclaré le professeur Medvedev.
« Dans le Crab Pulsar, la gravité et le plasma agissent ensemble. Cela représente la première application réelle de cet effet combiné. »
« Il existe une tendance remarquable dans le spectre de Pulsar », a déclaré le professeur Medvedev.
« Contrairement aux larges spectres ordinaires – tels que la lumière du soleil, qui contient une gamme continue de couleurs – les impulsions inter-impulsions haute fréquence du crabe présentent des bandes spectrales discrètes. S’il s’agissait d’un arc-en-ciel, c’est comme si seules des « couleurs » spécifiques apparaissaient, sans rien entre les deux. «
La plupart des émissions radio des pulsars sont spectralement plus larges et bruyantes, et ne sont pas aussi clairement réparties que celles du Crab Pulsar.
« Les rayures sont absolument distinctes, avec une obscurité totale entre elles », a déclaré le professeur Medvedev.
« Il y a une bande brillante, puis rien, une bande brillante, rien. Aucun autre pulsar ne présente ce genre de striation. Cette particularité a rendu le Crab Pulsar particulièrement intéressant – et difficile – à comprendre. «
Alors que le modèle précédent pouvait reproduire des rayures, le contraste élevé des bandes réellement observées chez le Crab Pulsar ne pouvait pas être expliqué.
En effet, le professeur Medvedev a récemment déterminé que la matière plasmatique du Crab Pulsar provoque une diffraction des impulsions électromagnétiques en grande partie responsable du motif zébré singulier de l’étoile à neutrons.
Mais maintenant, il a intégré la théorie de la gravité d’Einstein dans le mélange, constatant qu’elle joue un rôle central dans le motif zébré du Crab Pulsar.
« Le modèle théorique précédent pouvait reproduire les rayures, mais pas avec le contraste observé. L’inclusion de la gravité fournit la pièce manquante », a déclaré le professeur Medvedev.
« Le plasma dans la magnétosphère du pulsar peut être considéré comme une lentille, mais comme une lentille de défocalisation. La gravité, en revanche, agit comme une lentille de focalisation. Le plasma a tendance à écarter les rayons lumineux ; la gravité les attire vers l’intérieur. Lorsque ces deux effets se superposent, il existe des chemins spécifiques où ils se compensent. »
La combinaison d’un plasma magnétosphérique défocalisé et d’une gravité focalisée crée des bandes d’interférence en phase et hors phase d’intensité des ondes radio qui apparaissent comme les rayures zébrées du Crab Pulsar.
« Par symétrie, il existe au moins deux chemins de lumière pour la lumière », a déclaré le professeur Medvedev.
« Lorsque deux chemins presque identiques apportent de la lumière à l’observateur, ils forment un interféromètre. Les signaux se combinent. À certaines fréquences, ils se renforcent (en phase), produisant des bandes lumineuses. À d’autres, ils s’annulent (hors phase), produisant de l’obscurité. C’est l’essence du motif d’interférence. «
« Il semble y avoir peu de physique supplémentaire nécessaire pour expliquer qualitativement les rayures. »
« Quantitativement, il peut y avoir des améliorations. Par exemple, le traitement actuel inclut la gravité dans une approximation statique d’ordre le plus bas. »
« Le pulsar tourne, et l’inclusion d’effets de rotation pourrait introduire des changements quantitatifs, mais pas qualitatifs. »
La nouvelle étude sera publiée dans le Journal de physique des plasmas.
