Le Fermi LAT identifie 15 nouveaux pulsars pour MeerKAT

Le Fermi Large Area Telescope (LAT) offre des avantages significatifs pour la recherche de pulsars en localisant avec une grande précision des sources de rayons gamma non identifiées, ce qui permet aux chercheurs de pointer des radiotélescopes tels que le radiotélescope MeerKAT vers des coordonnées spécifiques. Cette synergie a révolutionné le domaine en réduisant la zone de recherche de l'ensemble du ciel à quelques milliers de candidats « de type pulsar ». En identifiant des sources qui émettent des rayons gamma mais ne possèdent pas de contrepartie radio connue, les astronomes peuvent découvrir efficacement de nouveaux pulsars millisecondes (MSP) et contribuer au catalogue croissant d'objets cosmiques à haute énergie, essentiels pour la détection des ondes gravitationnelles.

Combien de nouveaux pulsars ont été découverts lors de l'étude TRAPUM UHF ?

L'étude TRAPUM UHF a identifié 15 nouveaux pulsars grâce à une recherche ciblée de 79 sources de rayons gamma non identifiées à l'aide du radiotélescope MeerKAT. Ces découvertes comprennent neuf pulsars millisecondes (MSP) à rotation rapide et six pulsars lents, élargissant considérablement la population connue de ces étoiles à neutrons exotiques et confirmant que sept des MSP sont directement associés aux sources du Fermi-LAT.

La recherche a été menée par la collaboration TRAPUM (Transients and Pulsars with MeerKAT), une équipe internationale exploitant la puissance du réseau du radiotélescope sud-africain MeerKAT. Dirigée par des chercheurs dont Ramesh Karuppusamy, Michael Kramer et Francesca Calore, l'équipe a utilisé une technique d'apprentissage automatique par forêts aléatoires pour passer au crible le quatrième catalogue de sources du Fermi-LAT. Cette méthode leur a permis de sélectionner les candidats présentant les propriétés spectrales caractéristiques des pulsars avant de consacrer du temps d'observation radio à haute résolution.

Chacune des 79 cibles a été observée pendant 10 minutes sur deux époques distinctes pour garantir la validité des détections. Cette stratégie a non seulement permis d'identifier 15 nouveaux objets, mais a également rendu possible le chronométrage conjoint des pulsars en radio et en rayons gamma. En alignant les impulsions radio avec les données de rayons gamma du télescope spatial Fermi, l'équipe a pu confirmer l'association physique entre les étoiles à neutrons émettrices d'ondes radio et les émissions de rayons gamma à haute énergie détectées depuis l'orbite.

Comment le récepteur UHF se compare-t-il à la bande L pour la détection des pulsars ?

Le récepteur ultra-haute fréquence (UHF) du radiotélescope MeerKAT, fonctionnant entre 544 et 1088 MHz, a fait preuve d'une sensibilité supérieure pour les pulsars plus faibles par rapport aux recherches traditionnelles en bande L. En utilisant des fréquences plus basses, l'étude TRAPUM a obtenu un taux de détection plus élevé pour les nouveaux pulsars millisecondes émetteurs de rayons gamma, prouvant que la bande UHF est plus efficace pour découvrir des signaux subtils qui pourraient être occultés à des fréquences plus élevées.

La méthodologie a impliqué une comparaison directe entre les précédentes études en bande L (qui fonctionnent à des fréquences plus élevées autour de 1284 MHz) et les nouvelles données UHF. Les résultats ont indiqué que la bande UHF est particulièrement adaptée à la recherche de pulsars ayant des indices spectraux raides — ceux qui sont beaucoup plus brillants à des fréquences plus basses. Cet avantage technique est crucial pour identifier les pulsars « faibles » qui auraient pu être négligés auparavant par des équipements moins sensibles ou des études à plus haute fréquence.

• Gamme de fréquences : UHF (544-1088 MHz) contre bande L (~1284 MHz).
• Sensibilité : Détection améliorée des objets à faible densité de flux.
• Efficacité : Taux de découverte plus élevé par heure d'observation pour les candidats gamma.
• Milieu interstellaire : Capacité accrue à atténuer les effets de dispersion et de diffusion pour certaines classes de pulsars.

Cannibales cosmiques : La découverte des pulsars araignées

Les pulsars araignées sont des systèmes binaires rares où un pulsar milliseconde érode systématiquement son étoile compagne par un rayonnement intense et des vents de particules à haute énergie. Ces systèmes sont classés en fonction de la masse de l'étoile compagne : les Veuves noires (Black Widows) présentent des compagnes de masse extrêmement faible (moins de 0,1 masse solaire), tandis que les Redbacks impliquent des étoiles compagnes plus lourdes et plus substantielles qui éclipsent souvent le signal radio du pulsar.

Parmi les neuf pulsars millisecondes découverts dans l'étude TRAPUM, les chercheurs ont identifié trois Veuves noires et trois Redbacks. Ces découvertes sont particulièrement significatives car les pulsars araignées constituent un laboratoire unique pour étudier le processus de « recyclage », où un pulsar accélère sa rotation jusqu'à des périodes de l'ordre de la milliseconde en accrétant de la matière de son partenaire. Le vent de pulsar intense dans ces systèmes finit par évaporer la compagne, menant à une danse cosmique mortelle dramatique qui peut finir par laisser le pulsar isolé.

La découverte de ces six systèmes d'araignées a été confortée par l'observation d'éclipses radio. Dans ces cas, le gaz arraché à l'étoile compagne crée une enveloppe qui bloque périodiquement les impulsions radio avant qu'elles n'atteignent la Terre. En mesurant ces éclipses et en estimant la masse de la compagne, Ramesh Karuppusamy et son équipe peuvent mieux comprendre les taux de survie des étoiles à proximité immédiate des étoiles à neutrons.

Quelles sont les implications pour la physique des étoiles à neutrons ?

La découverte de ces 15 pulsars fournit des données critiques pour comprendre les voies d'évolution des systèmes binaires et la physique extrême de la matière des étoiles à neutrons. En reliant les observations radio aux données de rayons gamma, les scientifiques peuvent affiner les modèles de mécanismes d'émission des pulsars et explorer comment ces objets passent d'étoiles à rotation lente à des pulsars millisecondes ultra-rapides utilisés dans la recherche sur les ondes gravitationnelles.

L'astronomie multi-longueurs d'onde est essentielle pour obtenir une image complète de l'univers. La capacité d'effectuer un chronométrage conjoint à travers le spectre électromagnétique permet une précision sans précédent dans la mesure de la dynamique orbitale et de rotation de ces étoiles. Cette précision est vitale pour la détection future du fond d'ondes gravitationnelles nanohertz, car un réseau plus large et plus diversifié de pulsars chronométrés augmente la sensibilité des réseaux de chronométrage de pulsars (Pulsar Timing Arrays) mondiaux.

De plus, la variété de la population découverte — allant des pulsars lents aux MSP hautement énergétiques — souligne la diversité du quatrième catalogue de sources du Fermi-LAT. Cela suggère que bon nombre des sources de rayons gamma non identifiées restantes dans notre galaxie sont probablement des étoiles à neutrons qui attendent d'être découvertes par la prochaine génération de récepteurs radio sensibles.

Quelle est la suite pour l'étude TRAPUM et MeerKAT ?

Les observations futures se concentreront sur le chronométrage à long terme de ces nouvelles découvertes afin de cartographier précisément leurs orbites et de rechercher des effets relativistes supplémentaires. L'étude TRAPUM continue de balayer le ciel, le radiotélescope MeerKAT servant de précurseur principal au Square Kilometre Array (SKA), qui deviendra à terme le radiotélescope le plus grand et le plus sensible au monde.

Le succès de l'étude UHF suggère qu'un virage vers des observations à plus basse fréquence pourrait donner encore plus de découvertes dans des régions de la galaxie que l'on pensait auparavant vides. Les chercheurs prévoient d'étendre la recherche pour inclure encore plus de candidats issus des catalogues Fermi-LAT, révélant potentiellement la population « manquante » de pulsars qui échappe actuellement à nos seuils de détection. Alors que Michael Kramer et d'autres collaborateurs affinent leurs algorithmes de recherche, la synergie entre les télescopes de rayons gamma spatiaux et les réseaux radio terrestres restera la référence absolue pour la découverte de pulsars.