Illustration d'artiste d'un pulsar. Crédit : Carl Knox, Université OzGrav-Swinburne
Parfois, les pulsars - des restes d'étoiles à rotation rapide qui clignotent comme un phare - présentent des variations extrêmes de luminosité. Les astrophysiciens prédisent que ces courtes rafales de luminosité se produisent parce que des régions denses de plasma (le gaz chaud entre les étoiles) dispersent les ondes radio émises par le pulsar. Cependant, nous ne savons toujours pas d'où proviennent les sources d'énergie nécessaires pour former et entretenir ces régions de plasma dense. Pour mieux comprendre ces formations interstellaires, des observations plus détaillées de leur structure à petite échelle sont nécessaires. Une voie prometteuse pour cela est la scintillation, ou « scintillement », des pulsars.
Lorsque les ondes radio d'un pulsar sont diffusées par le plasma interstellaire, les ondes séparées interfèrent et créent un motif d'interférence sur la Terre. Comme la Terre, le pulsar et le plasma se déplacent les uns par rapport aux autres, ce modèle est observé sous forme de variations de luminosité dans le temps et en fréquence : le spectre dynamique. C'est la scintillation, ou "scintillement". La diffusion et le scintillement se produisent dans de petites régions du plasma grâce à la nature ponctuelle des signaux pulsars. Suite à un traitement spécialisé du signal du spectre dynamique, nous pouvons observer des caractéristiques paraboliques vives appelées arcs de scintillation qui sont liées à l'image du rayonnement diffusé du pulsar sur le ciel.
Un pulsar particulier, appelé J1603-7202, a subi une diffusion extrême en 2006. Cela en fait une cible passionnante pour l'examen de ces régions de plasma dense. Cependant, la trajectoire du pulsar n'a toujours pas été déterminée car il orbite autour d'une autre étoile compacte appelée a nain blanc dans une orbite de face, et les astronomes n'ont pas d'autres méthodes pour le mesurer dans cette situation. Heureusement, les arcs de scintillation ont un double objectif : leurs courbures sont liées à la vitesse du pulsar, ainsi qu'à la distance au pulsar et au plasma. La façon dont la vitesse du pulsar change pendant son orbite dépend de l'orientation de l'orbite dans l'espace. Par conséquent, dans le cas du pulsar J1603-7202, nous avons calculé les changements de courbure des arcs au fil du temps pour déterminer l'orientation.
Les mesures que nous avons obtenues pour l'orbite du pulsar J1603-7202 sont une amélioration significative par rapport aux analyses précédentes. Cela démontre la viabilité de la scintillation en complément des méthodes alternatives. Nous avons mesuré la distance au plasma et avons montré qu'il s'agissait d'environ les trois quarts de la distance au pulsar, à partir de la Terre. Cela ne semble pas coïncider avec les positions d'étoiles connues ou de nuages de gaz interstellaires. Les études de scintillation pulsar explorent souvent des structures comme celle-ci, qui sont autrement invisibles. La question reste donc ouverte : quelle est la source du plasma qui diffuse le rayonnement du pulsar ?
Enfin, grâce à notre mesure d'orbite, nous sommes en mesure d'estimer la masse du compagnon orbital de J1603-7202. Elle a été calculée à environ la moitié de la masse du Soleil. Considéré aux côtés de l'orbite hautement circulaire de J160-7202, cela implique que le compagnon est probablement un reste stellaire composé de carbone et d'oxygène - une découverte plus rare autour d'un pulsar que les restes plus courants à base d'hélium.
Comme nous possédons maintenant un modèle presque complet de l'orbite, il est actuellement possible de transformer les observations de scintillation de J1603-7202 en images diffusées dans le ciel et de cartographier le plasma interstellaire à l'échelle du système solaire. La création d'images des structures physiques qui provoquent une diffusion extrême des ondes radio peut nous permettre de mieux comprendre comment se forment ces régions denses et le rôle que joue le plasma interstellaire dans l'évolution des galaxies.
Écrit par le doctorant Kris Walker (ICRA-UWA) et le Dr Daniel Reardon (Université OzGrav-Swinburne).
Référence : "Orbital Dynamics and Extreme Scattering Event Properties from Long-term Scintillation Observations of PSR J1603−7202" par Kris Walker, Daniel J. Reardon, Eric Thrane et Rory Smith, 28 juin 2022, Le journal astrophysique.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac69c6
