L’étude, publiée dans la revue La science et dirigé par des chercheurs de l’Université de Padoue, utilise les données d’un satellite de la NASA, l’Explorateur de polarimétrie des rayons X d’imagerie (IXPE), lancé en décembre dernier. Le satellite, une collaboration entre la NASA et l’Agence spatiale italienne, offre une nouvelle façon de voir la lumière des rayons X dans l’espace en mesurant sa polarisation – la direction de l’agitation des ondes lumineuses.
L’équipe a examiné l’observation par IXPE du magnétar 4U 0142+61, situé dans la constellation de Cassiopée, à environ 13 000 années-lumière de la Terre. C’était la première fois que la lumière polarisée des rayons X d’un magnétar était observée.
Les magnétars sont des étoiles à neutrons – des noyaux résiduels très denses d’étoiles massives qui ont explosé en supernovae à la fin de leur vie. Contrairement aux autres étoiles à neutrons, elles possèdent un immense champ magnétique, le plus puissant de l’univers. Ils émettent des rayons X brillants et présentent des périodes d’activité erratiques, avec l’émission de sursauts et d’éruptions qui peuvent libérer en une seconde une quantité d’énergie des millions de fois supérieure à ce que notre Soleil émet en un an. On pense qu’elles sont alimentées par leurs champs magnétiques ultra-puissants, 100 à 1 000 fois plus puissants que les étoiles à neutrons standard.
L’équipe de recherche a trouvé une proportion beaucoup plus faible de lumière polarisée que ce à quoi on pourrait s’attendre si les rayons X traversaient une atmosphère. (La lumière polarisée est une lumière où l’agitation est dans la même direction, c’est-à-dire que les champs électriques ne vibrent que d’une seule façon. Une atmosphère agit comme un filtre, sélectionnant un seul état de polarisation de la lumière.)
L’équipe a également découvert que, pour les particules de lumière à des énergies plus élevées, l’angle de polarisation – l’agitation – était inversé d’exactement 90 degrés par rapport à la lumière à des énergies plus basses, selon ce que les modèles théoriques prédiraient si l’étoile avait une croûte solide entourée par une magnétosphère externe remplie de courants électriques.
La co-auteure principale, la professeure Silvia Zane (UCL Mullard Space Science Laboratory), membre de l’équipe scientifique de l’IXPE, a déclaré: “C’était complètement inattendu. J’étais convaincue qu’il y aurait une atmosphère. Le gaz de l’étoile a atteint un point de basculement et est devenu solide de la même manière que l’eau pourrait se transformer en glace, en raison du champ magnétique incroyablement puissant de l’étoile.
“Mais, comme pour l’eau, la température est également un facteur – un gaz plus chaud nécessitera un champ magnétique plus fort pour devenir solide.
“Une prochaine étape consiste à observer des étoiles à neutrons plus chaudes avec un champ magnétique similaire, pour étudier comment l’interaction entre la température et le champ magnétique affecte les propriétés de la surface de l’étoile.”
L’auteur principal, le Dr Roberto Taverna, de l’Université de Padoue, a déclaré : « La caractéristique la plus excitante que nous ayons pu observer est le changement de direction de polarisation avec l’énergie, l’angle de polarisation oscillant d’exactement 90 degrés.
“Ceci est en accord avec ce que prédisent les modèles théoriques et confirme que les magnétars sont bien dotés de champs magnétiques ultra-puissants.”
La théorie quantique prédit que la lumière se propageant dans un environnement fortement magnétisé est polarisée dans deux directions, parallèle et perpendiculaire au champ magnétique. La quantité et la direction de la polarisation observée portent l’empreinte de la structure du champ magnétique et de l’état physique de la matière au voisinage de l’étoile à neutrons, fournissant des informations inaccessibles autrement.
Aux hautes énergies, on s’attend à ce que les photons (particules de lumière) polarisés perpendiculairement au champ magnétique dominent, ce qui entraîne l’oscillation de polarisation de 90 degrés observée.
Le professeur Roberto Turolla, de l’Université de Padoue, qui est également professeur honoraire au Laboratoire de sciences spatiales UCL Mullard, a déclaré: “La polarisation à basse énergie nous dit que le champ magnétique est probablement si fort qu’il fait tourner l’atmosphère autour de l’étoile dans un solide ou un liquide, un phénomène connu sous le nom de condensation magnétique.”
On pense que la croûte solide de l’étoile est composée d’un réseau d’ions, maintenus ensemble par le champ magnétique. Les atomes ne seraient pas sphériques, mais allongés dans la direction du champ magnétique.
La question de savoir si les magnétars et les autres étoiles à neutrons ont ou non des atmosphères fait toujours l’objet de débats. Cependant, le nouvel article est la première observation d’une étoile à neutrons où une croûte solide est une explication fiable.
Le professeur Jeremy Heyl de l’Université de la Colombie-Britannique (UBC) a ajouté : “Il convient également de noter que l’inclusion des effets de l’électrodynamique quantique, comme nous l’avons fait dans notre modélisation théorique, donne des résultats compatibles avec l’observation de l’IXPE. Néanmoins, nous étudions également des modèles alternatifs. pour expliquer les données IXPE, pour lesquelles les simulations numériques appropriées manquent encore.”
