En utilisant les données d’un satellite de la NASA, Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), les astronomes ont repéré une étoile qui avait une surface solide sans atmosphère.
L’étude – une collaboration internationale codirigée par UCL scientifiques – ont signalé une signature dans la lumière des rayons X émise par une étoile morte hautement magnétisée appelée un magnétar. L’équipe a examiné l’observation par IXPE du magnétar 4U 0142+61. Il est situé à près de 13 000 années-lumière de la Terre dans la constellation de Cassiopée.
C’était la première fois polarisé Lumière à rayons X d’un magnétar avait été observé.
En parcourant les données, l’équipe a identifié une proportion de lumière polarisée beaucoup plus faible que prévu si les rayons X traversaient une atmosphère. L’équipe a également découvert que pour les particules lumineuses avec des énergies plus élevées, l’angle de polarisation, ou le “wiggle”, était inversé d’exactement 90 degrés par rapport à la lumière avec des énergies plus faibles, comme prédit par les modèles théoriques pour les étoiles à croûtes solides encerclées par des magnétosphères qui sont remplis 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 convaincu qu’il y aurait une ambiance. 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. C’est le résultat de l’incroyable force de la star champ magnétique.”
“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 plus chaud étoiles à neutrons avec un champ magnétique similaire, pour étudier comment l’interaction entre la température et le champ magnétique affecte les propriétés de la 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.”
“Cela concorde avec ce que prédisent les modèles théoriques et confirme que les magnétars sont bien dotés de champs magnétiques ultra-puissants.”
Selon la théorie quantique, un environnement fortement magnétisé provoque la polarisation de la lumière dans deux directions : parallèle au champ magnétique et perpendiculaire à celui-ci. La quantité et la direction de la polarisation observée fournissent des informations qui ne seraient pas disponibles autrement, laissant une trace de la structure du champ magnétique et de l’état physique de matériaux dans la région de l’étoile à neutrons.
Aux hautes énergies, on s’attend à ce que les photons 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 transforme l’atmosphère autour de l’étoile en 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 est toujours sujette à débat. Cependant, le nouvel article est la première observation d’une étoile à neutrons où une croûte solide est une explication fiable.
Professeur Jeremy Heyl de l’Université de la Colombie-Britannique (UBC) ajoutée: « 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 IXPE. Néanmoins, nous étudions également des modèles alternatifs pour expliquer les données IXPE, pour lesquelles des simulations numériques appropriées font encore défaut.
Référence de la revue :
- Roberto Taverna et al. Rayons X polarisés d’un magnétar. La science 3 novembre 2022. DOI : 10.1126/science.add0080
