La diversité des étoiles

Le magnétar (X)

Le magnétar est une variété d'étoile à neutrons au même titre que le pulsar et le RRAT et sa distinction est arbitraire. Il est toutefois utile de le classer séparément car il présente une structure différente et des propriétés encore plus extraordinaires. Cet astre est probablement l'un des plus étranges et les plus dangereux après le trou noir.

Dans un article publié en 1992, les astrophysiciens américains Christopher Thompson et Robert C. Duncan de l'Université du Texas à Austin ont prédit l'existence des "étoiles à neutrons dynamos", un type d'étoiles à neutrons présentant un nombre de Reynolds élevé pouvant générer des champs magnétiques extrêmement intenses. Cette théorie fut également indépendamment proposée par l'astrophysicien polonais Bohdan Paczynski de l'Institut d'Astronomie de Varsovie.

A gauche, illustration d'une éruption sur un magnétar produite par l'explosion de son écorce, ce qu'on appelle un tremblement d'étoile par analogie aux tremblements de terre, mais dans ce cas-ci elle libère une énergie 200 fois plus puissante que celle d'une supernova ! Au centre, illustration des lignes de force du champ magnétique engendrées par un magnétar et des fractures dans son écorce. A droite, explication de l'origine des éruptions des magnétars. Documents NASA/GSFC/S.Wiessinger, ESA et C.Bickel/Science (2021).

A la différence d'un pulsar dont le champ magnétique est le résultat du ralentissement de la rotation de l'étoile à neutrons, c'est la structure même du magnétar et en particulier de sa magnétosphère qui entretient son champ magnétique. Mais s'il fallut des décennies pour comprendre la nature des étoiles à neutrons (et qui n'est pas encore totalement comprise), des années sinon des décennies pour expliquer la nature des pulsars, la nature et l'activité des magnétars sont encore plus difficiles à expliquer car elles font appel à des théories très élaborées de magnétohydrodynamique combinant des effets quantiques et gravitationnels du ressort de la relativité.

Selon la théorie de Thompson et Duncan précitée, le magnétar se forme lors de l'explosion d'une supernova. C'est une étoile à neutrons présentant un champ magnétique extrêmement puissant. "Puissant" est un mot faible quand on parle ici d'un champ magnétique de l'ordre de 10¹⁵ G. Dans une étoile compacte comme un pulsar, le champ magnétique est de l'ordre de 10¹² G soit au moins 10 millions de fois supérieur à celui du Soleil, qui est au moins 100 fois plus intense que celui de la Terre lorsqu'il est au minimum de son activité. Lorsque le champ magnétique devient très intense, de l'ordre de 4.144 x 10¹⁴ G, il est capable de déformer l'écorce du magnétar et de la fracturer ! Rappelons que cette écorce est faite de neutrons dont les propriétés sont similaires à celles d'un corps solide (ce qui lui permet de tourner très rapidement sur lui-même). Cette écorce hyperdense est plus résistante et plus dure que celle du diamant.

Quand l'activité électromagnétique du magnétar s'emballe, sa surface neutronique se met à vibrer avec une intensité réellement astronomique. Puis elle se brise brutalement à l'image de l'écorce terrestre durant des tremblements de terre, émettant brièvement des rayons X ou gamma de 10 à 30 keV. Ces tremblements stellaires se répétant rapidement pendant 0.1 à 3 s, les magnétars ont été surnommés "Soft Gamma Repeaters", SGR.

L'intensité des tremblements d'un magnétar est phénoménale : elle atteint 32 sur l'échelle ouverte de Richter ! Pour rappel, sur Terre nous subissons des tremblements de terre d'amplitude 9 maximum et le Soleil subit des tremblements d'amplitude 11 lorsque les protubérances les plus massives retombent sur sa surface bouillonnante. Si la Terre devait subir l'intensité des tremblements d'un magnétar, son écorce exploserait !

Les éruptions explosives des magnétars varient dans leurs spécificités, mais elles commencent généralement par une augmentation soudaine de la luminosité pendant quelques jours ou quelques semaines suivie par une baisse progressive qui peut durer plusieurs années jusqu'à ce que l'astre retrouve sa luminosité normale comme on le voit dans le diagramme présenté à droite.

Le champ électromagnétique d'un magnétar obéit aux lois de l'électrodynamique quantique. Il provoque des effets très étranges qui ne surviennent pas sous le seuil critique de ~10¹⁴ G. Parmi ces effets, citons la production de paire à partir d'un simple photon ou la séparation du photon, des phénomènes que les installations du CERN seraient bien incapables de générer tellement le niveau d'énergie est élevé (les physiciens peuvent uniquement produire des paires en faisant interagir un photon avec un noyau ou un autre boson).

Plus étonnant, les éruptions électromagnétiques d'un magnétar sont tellement puissantes qu'elles peuvent parcourir 50000 années-lumière et encore faire pression sur le champ magnétique de la Terre au point de le déformer !

Dans ces conditions, on comprend qu'à courte distance le magnétar est aussi dangereux qu'une supernova ou un trou noir actif ! Si la Terre se trouvait à moins de 100 années-lumière d'un magnétar, l'intensité de son rayonnement détruirait rapidement la couche d'ozone, exposant la surface aux rayonnements solaires et cosmiques et condamnant toute vie à court terme. Heureusement, les quelques magnétars découverts dans la Voie Lactée sont situés à des milliers d'années-lumière, suffisamment loin pour ne pas nous inquiéter.

Origine de l'intensité du champ magnétique

Dans une étude publiée dans la revue "Science Advances" en 2020, Raphaël Raynaud du CEA et ses collègues ont résumé comment fonctionne le mécanisme de dynamo convective à l'oeuvre dans les magnétars.

Le puissant champ magnétique d'un magnétar peut être engendré dès la formation d'une étoile à neutrons. En effet, juste après l'effondrement gravitationnel du coeur de fer, l'étoile à neutrons se refroidit rapidement en émettant une grande quantité de neutrinos. Ce refroidissement provoque une forte convection de matière à l'intérieur de l'astre. Ces déplacements brutaux de matière génèrent une très forte augmentation du champ magnétique existant par un effet dynamo semblable à celui qu'on observe dans le Soleil mais réduit à l'enveloppe d'une étoile à neutrons. Selon les simulations, l'amplification de l'intensité du champ magnétique dépend également de la vitesse de rotation de l'astre. À partir d'un champ magnétique initial, le champ magnétique peut être amplifié jusqu'à 10¹⁶ G pour une étoile à neutrons dont la période de rotation est inférieure à 6 ms.

A lire : The physics of magnetar formation, J.Guilet/CEA Saclay, 2018

Magnétars, SGRs & very strong magnetic fields, R.C. Duncan, 1998/2003

A gauche, une représentation du champ magnétique d'un magnétar. A droite, une simulation 3D des lignes de champ magnétique dans la zone convective d'une étoile à neutrons naissante présentant une période de rotation de quelques millisecondes. Si sa période avait été supérieure à 8 ms, le champ serait 10 fois plus faible. Selon de nouvelles données, cet astre serait l'émetteur des flashs qu'on associe aux FRB. Documents P.Carril/Novapix/Leemage adapté par l'auteur et R.Raynaud et al. (2020).

Selon les auteurs, le magnétar pourrait aussi expliquer la puissance colossale libérée par les hypernovae ou les supernovae superlumineuses. Le magnétar qui serait en son coeur fournirait l'énergie résiduelle en transférant l'énergie rotationnelle de l'étoile à neutrons via un intense freinage magnétique. Le champ magnétique requis est de l'ordre de 10¹⁵ G.

Il existe une variante de ce modèle appelée la dynamo MRI, un effet dynamo engendré par l'instabilité magnétorotationnelle. Ce modèle MRI peut aussi expliquer la formation d'un intense champ magnétique dès la naissance d'une protoétoile à neutrons (cf. la thèse d'Alexis Reboul-Salze du CEA publiée en 2021 et A. Reboul-Salze et al., 2021). D'autres modèles expliquent également comment amplifier un champ magnétique de 10¹² G à 10¹⁵ G (cf. J.Vink et L.Kuiper, 2006).

Rappelons que si certains auteurs ont suggéré que l'explosion de la supernova SN 2015L alias ASASSN-15lh forma un magnétar, cette théorie est aujourd'hui écartée. L'explosion de ASASSN-15lh correspondrait à la signature d'une étoile qui aurait été perturbée par les forces de marée d'un trou noir massif, générant des TDE. Son instabilité finit par provoquer une explosion thermonucléaire à l'origine de sa surbrillance soudaine et temporaire.

Origine des hautes températures des magnétars

Comme toute étoile dégénérée ayant épuisé ses réserves de combustible, la température extrême des étoiles compactes (jusqu'à 10 million de K en surface) et en particulier les magnétars n'est pas engendrée par des réactions de nucléosynthèse mais résulte d'un effet engendré par leur magnétosphère. De plus, les modèles prédisent l'existence de "points chauds" sur la surface de ce genre d'astre.

 Selon le modèle de la "magnétosphère torsadée" (cf. C.Thompson, 2002 ; S.-S. Weng et al., 2015), l'émission thermique des magnétars résulte de l'échauffement interne de l'étoile à neutrons induit par la décroissance de son intense champ magnétique interne non isotrope. Les lignes de force qui s'étirent dans la magnétosphère se tordent, provoquant un échauffement de la  croûte neutronique. Ces champs magnétiques torsadés entraînent l'apparition de champs électriques très intenses qui accélèrent et arrachent des particules de la surface de l'étoile à neutrons qui retombent sur la surface en suivant les lignes du champ magnétique, échauffant davantage localement la croûte.

Un lien entre magnétar et FRB ?

Grâce au VLBA (Very Long Baseline Array) de la NSF, en 2020 des astronomes ont pour la première fois réalisé une mesure géométrique directe de la distance d'un magnétar, XTE J1810-197. Ce magnétar se situe à ~8100 années-lumière. Cette mesure pourrait aider à comprendre si les magnétars sont la source des émissions des FRB décrits précédemment.

Pour rappel, dans un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2020 (en PDF sur arXiv), Brian D. Metzger de l'Université de Columbia et ses collègues ont découvert que l'éruption radio du FRB 200428 coïncidait avec l'éruption X du magnétar SGR 1935+2154 (cf. A.V. Kozlova et al., 2020). Il est donc possible que les deux signaux proviennent de la même source cosmique. Mais pour confirmer cette hypothèse séduisante, il faudrait détecter simultanément un neutrino - ce qui est déjà très difficile - et une éruption radio du même magnétar. Affaire à suivre.

Origine des magnétars : les étoiles magnétiques massives à hélium

Dans un article publié dans la revue "Science" en 2023 (en PDF), Tomer Shenar de l'Institut Anton Pannekoek d'Astronomie de l'Université d'Amsterdam aux Pays-Bas et ses collègues ont découvert que l'étoile HD 45166 de magnitude 6.3 située dans la constellation de la Licorne (Monoceros) près d'Orion à 3276 années-lumière connue depuis 1922 est susceptible de devenir un magnétar. Elle appartient à un nouveau type d'étoile et apporte des éclaircissements sur l'origine des magnétars.

Jusqu'à présente la nature de cette étoile ne pouvait pas s'expliquer par le modèle standard et on ne savait pas grand-chose sur elle si ce n'est qu'elle fait partie d'un système binaire dont le compagnon est une étoile bleue, qu'elle elle est riche en hélium, plus massive que le Soleil et se comporte comme une étoile Wolf-Rayet.

Ayant déjà étudié des étoiles similaires riches en hélium, Tomer Shenar a supposé que la présence d'un intense champ magnétique pourrait expliquer le comportement de cette étoile. En effet, on connait l'importance des champs magnétiques dans l'activité stellaire et ils pourraient expliquer pourquoi les modèles conventionnels n'ont pas réussi à décrire HD 45166. Selon Shenar,"je me souviens d'avoir eu un déclic en lisant la littérature : Et si l'étoile était magnétique ?"

Grâce au télescope CFH d'Hawaï capable de détecter et de mesurer les champs magnétiques, celui de La Silla de l'ESO au Chili équipé de l'instrument FEROS (Fiber-fed Extended Range Optical Spectrograph) et des données d'archives, Tomer Shenar et son équipe ont étudié l'étoile en février 2022. Ils ont ensuite demandé à Gregg Wade, spécialiste des champs magnétiques des étoiles au Royal Military College du Canada et coauteur de cet article, d'examiner les données. La réponse de Wade confirma son intuition : "Eh bien, cher ami, quelle que soit cette chose, elle est assurément magnétique."

Sur base de ces résultats et de simulations, l'équipe de Tomer Shenar a découvert que cette étoile à hélium possède un champ magnétique très intense de 43000 G (contre ~1 G en moyenne pour le Soleil), ce qui fait de HD 45166 l'étoile massive la plus magnétique découverte à ce jour et la toute première étoile massive magnétique à hélium. Selon Shenar, "Il est passionnant de découvrir un nouveau type d'objet astronomique surtout lorsqu'il était caché aux regards de tous depuis longtemps."

Cette étoile à hélium fournit également des indices sur l'origine des magnétars, dont le champ magnétique est au moins un milliard de fois plus intense que celui de HD 45166. Les calculs des chercheurs  suggèrent que cette étoile terminera sa vie sous la forme d'un magnétar. En s'effondrant sous l'effet de sa propre gravité, son champ magnétique se renforcera et l'étoile finira par devenir un noyau très compact engendrant un champ magnétique d'environ 10¹¹ G.

A voir : Artist's animation of HD 45166, the most magnetic massive star ever found, ESO, 2023

Shenar et son équipe ont également découvert que HD 45166 a une masse plus petite que celle rapportée précédemment, environ deux masses solaires, et que son compagnon orbite à une distance bien plus grande que les précédentes estimations. En outre, leurs recherches indiquent que HD 45166 s'est formée par la coalescence (fusion) de deux petites étoiles riches en hélium. Selon Julia Bodensteiner, de l'Institut d'Astronomie de l'Université Catholique de Louvain (KUL) et coautrice de cet article, "Nos résultats modifient complètement notre compréhension de HD 45166."

Décrivons à présent les caractéristiques de quelques magnétars.

Observation de la naissance d'un magnétar, GRB 200522A

Le 22 mai 2020, la NASA publia une alerte destinée aux astrophysiciens concernant la détection par l'observatoire spatial Swift de la NASA d'une explosion stellaire dans l'objet GRB 200522A. Ce phénomène émit à z=0.5536 soit 5.5 milliards d'années-lumière correspondait à un bref sursaut gamma dont l'émission dans le proche infrarouge était 10 fois plus brillante que prévu, défiant les modèles conventionnels. L'objet libéra plus d'énergie en une demi-seconde que le Soleil n'en produira en 10 milliards d'années !

Après avoir examiné le sursaut brillant aux longueurs d'ondes optiques, rayons X, proche infrarouge et radio, les chercheurs ont déduit qu'ils ont assisté à la naissance d'un magnétar. Cette découverte fit l'objet d'un article publié dans "The Astrophysical Journal" en 2020 par Wen-fai Fong de l'Université Northwestern et ses collègues (en PDF sur arXiv).

Selon Tanmoy Laskar de l'Université de Bath au Royaume-Uni et coauteur de cette étude, "Au fur et à mesure que nous avons obtenu les observations de Hubble, nous avons dû complètement changer notre processus de pensée, car les informations ajoutées par Hubble nous ont fait comprendre que nous devions abandonner nos idées conventionnelles et qu'un nouveau phénomène se produisait. Ensuite, nous avons dû comprendre ce que cela signifiait ces explosions extrêmement énergétiques& pour la physique."

A voir : Birth of a magnetar from neutron star merger, NwU

Affaiblissement de la kilonova de GRB 220522A entre le 26 mai et le 16 juillet 2020. Document NASA/STSci/ESA/W.Fong et al. (2020)/NwU.

Les chercheurs pensent que le magnétar a été formé par la fusion de deux étoiles à neutrons, ce qui n'a jamais été observé auparavant. La fusion engendra une brillante kilonova - la plus brillante détectée à ce jour - à l'origine de cette brève émission. Selon les chercheurs, "il est possible que l'objet dense ait survécu. Au lieu de s'effondrer en trou noir, il est devenu un magnétar."

Pour rappel, une kilonova est généralement 1000 fois plus brillante qu'une nova classique et devrait s'accompagner de courts sursauts gamma. Celle-ci était 10000 fois plus brillante qu'une nova ! Créées uniquement lors de la fusion de deux objets compacts, les kilonovae brillent de la désintégration radioactive des éléments lourds éjectés lors de la fusion, produisant des éléments convoités comme l'or et l'uranium.

Selon Jillian Rastinejad, coauteur de cette article, "Nous n’avons qu'une seule kilonova confirmée et bien échantillonnée à ce jour. C'est donc particulièrement excitant de trouver une nouvelle kilonova potentielle qui semble si différente."

Si la luminosité inattendue enregistrée par Hubble provient effectivement d'un magnétar, dans quelques années les ejecta (SNR) accompagnant le sursaut gama produiront une émission qui apparaîtra aux longueurs d'ondes radios. Des observations ultérieures confirmeront espérons-le cette hypothèse, permettant enfin d'expliquer l'origine de ces objets.

Découverte d'un jeune magnétar, Swift J1818.0-1607

Par chance, grâce à l'observatoire spatial Swift de la NASA, le 12 mars 2020 des astronomes ont détecté une puissance éruption de rayons X provenant de l'étoile à neutrons Swift J1818-1607 alias J1818 située dans la constellation du Sagittaire à environ 21190 années-lumière du Soleil. Son émission de rayons X est devenue au moins 10 fois plus intense que la normale. Le satellite Chandra a permis aux chercheurs d'obtenir des images en rayons X ainsi que des spectres de rayons X entre 1 keV et 10 keV.

Vu la rapidité des éruptions des magnétars, l'équipe de la mission Swift alerta immédiatement la communauté astronomique internationale afin de suivre l'évènement. L'émission X fut confirmée par les télescopes spatiaux XMM-Newton de l'ESA, NuSTAR de la NASA et INTEGRAL de l'ESA/NASA/RKA, ce dernier instrument étant plus sensible aux photons de hautes énergies que les deux autres et permettant également de détecter les émissions gamma.

J1818 développe un champ magnétique atteignant 1.25 x 10¹⁵ G soit jusqu'à 1000 fois plus intense que celui d'une étoile à neutrons (>10¹² G). C'est un magnétar dont la période est de 1.363 s. C'est le 31^e magnétar découvert à ce jour (contre ~3000 étoiles à neutrons).

L'annonce de sa découvert fit l'objet d'un article publié dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2020 par l'équipe de Marcus E. Lower de l'Université Swinburne de Technologie en Australie. Une étude complémentaire fut publiée dans "The Astrophysical Journal Letters" en 2020 par Harsha Blumer de l'Université de Virginie Occidentale et Samar Safi-Harb de l'Université du Manitoba au Canada.

A gauche, image composite du magnétar Swift J1818.0-1607 âgé de seulement ~470 ans, enregistré par la caméra EPIC-pn du satellite XMM-Newton de l'ESA. L'image combine des observations dans les bandes 2-4 keV (rouge), 4-7.5 keV (vert) et 8.5–12 keV (bleu). A droite, image composite rayons X (rose) et infrarouge (tout le reste de l'image) de la région du magnétar J1818.0-1607. Document NASA/CXC/UWV (X) et NASA/JPL-CalTech/Spitzer (IR).

Etant donné l'intensité de son champ magnétique, l'âge de ce magnétar est estimé à environ 470 ans - un véritable nouveau-né selon les normes astronomiques. J1818 est le premier magnétar découvert si peu de temps après sa formation, ce qui le rend très séduisant pour les chercheurs, en particulier pour comprendre l'histoire de sa formation. En effet, les modèles suggèrent que les propriétés physiques et les comportements des magnétars changent avec le temps et qu'ils seraient plus actifs lorsqu'ils sont plus jeunes. Découvrir un exemple très jeune à proximité comme celui-ci permettra d'affiner ces modèles.

Les observations de Chandra soutiennent également cette idée. Safi-Harb et Blumer ont étudié l'efficacité avec laquelle J1818.0-1607 convertit l'énergie de son taux de rotation décroissant en rayons X (le rapport luminosité X sur la perte d'énergie). Son efficacité est de 0.13. Elle est inférieure à la valeur moyenne pour les magnétars et plus proche de celles des pulsars. Ces résultats confirment une étude antérieure, faisant de J1818 un astre hybride unique entre le pulsar à fort champ magnétique et le magnétar à forte émission radio pulsée.

Les chercheurs s'attendaient à ce que l'explosion qui créa un magnétar aussi jeune ait laissé derrière elle un champ de débris détectable. Pour rechercher ce reste de supernova, Safi-Harb et Blumer ont examiné les données rayons X de Chandra, celles infrarouges du télescope spatial Spitzer et les données radios du VLA Karl Jansky. Le fait que J1818 émette des ondes radios implique qu'il possède également des propriétés similaires à celles d'un pulsar typique. Seuls cinq magnétars, dont celui-ci, présentent ces caractéristiques, constituant moins de 0.02 % de la population connue d'étoiles à neutrons.

Les données rayons X à haute résolution obtenues moins d'un mois après la découverte de J1818 révèlent une source ponctuelle à l'endroit où se trouve le magnétar entourée d'une émission diffuse de rayons X d'une énergie comprise en 1-10 keV (seuls 532 photons furent enregistrés), probablement produite par des rayons X se reflétant sur la poussière environnante. Cette zone diffuse s'étend entre 3-10" autour du magnétar, le bruit de fond n'apparaissant qu'entre 30-40" de distance. Il peut s'agir d'une coquille de poussière produite par l'explosion d'une supernova (bien que cet éventuel SNR soit situé trop loin du magnétar, à moins que ce dernier soit plus âgé que prévu). Une partie de cette émission diffuse de rayons X peut également provenir de la nébuleuse du vent de magnétar (MWN, voir plus bas) soufflant loin de l'étoile à neutrons.

Parmi les nombreuses questions ouvertes concernant les magnétars, dans un article non validé publié en 2019, les astronomes Samuel K. Lander et David I. Jones ont voulu comprendre comme naît un magnétar en étudiant l'évolution de l'angle χ formé entre les axes de rotation et magnétique de l'étoile. Cette évolution est couplée à celle de la rotation stellaire et dépend des effets concurrents de la dissipation visqueuse interne et des couples externes. Pour la première fois, les deux chercheurs sont parvenus à modéliser un magnétar présentant un intense champ toroïdal interne et développant un intense vent proto-magnétarien peu de temps après sa naissance. Ayant constaté que l'angle χ tend de 90 vers 0° en quelques centaines d'années après la naissance du magnétar, les chercheurs en ont déduit que ces étoiles sont soumises à un couple extérieur plus fort que celui des pulsars radios et qu'elles naissent avec un taux de rotation supérieur à  ~100 Hz soit ~100 rotations/seconde, ce qui correspond à une période supérieure à ~10 ms. Cette découverte permet d'établir des prédictions concernant les émissions gravitationnelles et électromagnétiques des jeunes magnétars en rotation. Bonne nouvelle, les ondes gravitationnelles des magnétars sont à la limite de la sensibilité des futures installations aLIGO (Advanced LIGO) et ET (Einstein gravitational wave Telescope)^[22].

PSR J1745-2900

Il s'agit d'un magnétar radio découvert en 2013 grâce au télescope spatial rayons X Swift. Il se situe dans la constellation du Sagittaire à 0.3 année-lumière ou ~3" seulement du trou noir supermassif de la Voie Lactée. Sa période est de ~3.76 s mais elle varie entre ~2 et 12 s. Son champ magnétique atteint 10¹⁴ G. Dans une étude publiée par Aaron B. Perlman de Caltech et son équipe dans "The Astrophysical Journal" en 2018 (en PDF sur arXiv), les chercheurs ont analysé les impulsions radios émises par ce magnétar et ont découvert qu'il émet le même genre de signaux que les sources FRB. La durée des impulsions est de ~1.7 ms, le délai entre les impulsions de ~7.7 ms et la bande passante des impulsions est de ~100 MHz. C'est le premier magnétar radio présentant ces caractéristiques.

L'analyse des impulsions individuelles émises à chaque rotation montre que certaines impulsions sont plus étirées ou élargies que prévu et ce comportement varie d'impulsion à impulsion, ce qui est très inhabituel pour un magnétar. On ignore pourquoi cet astre présente ces particularités, mais il est possible que des nuages de plasma se déplaçant à grande vitesse près du magnétar expliquent cette variabilité. Une autre théorie propose que la variabilité soit intrinsèque au magnétar lui-même.

SGR 1806-20

Le magnétar SGR 1806-20 situé à 50000 années-lumière dans le Sagittaire présente des tremblements stellaires libérant en 1/10^e de seconde plus d'énergie que le Soleil en libéra au cours des 100000 dernières années ! L'astre qui ne mesure que 17.4 km de rayon présente une masse de 12.4 M et une luminosité record de 3 millions L ! Selon une étude publiée en 2003 par Alaa Ibrahim du centre Goddard de la NASA et ses collègues dans "The Astrophysical Journal Letters", c'est à ce jour le magnétar présentant le champ magnétique le plus intense, évalué ~10¹⁵ G (il s'agit de la valeur pour les champs polaires de surface car les champs internes peuvent atteindre 10¹⁶ G, avec des lignes de champ magnétique probablement enveloppées dans une géométrie toroïdale voire en anneau à l'intérieur de l'étoile).

1E 161348-5055

Le champ magnétique d'un magnétar est tellement intense qu'il est capable de freiner la rotation de l'étoile. Ainsi, la période de rotation la plus lente est détenue par le magnétar 1E 161348-5055 (1E 1613 en abrégé) dont la période mesurée en 2016 grâce aux télescopes spatiaux Swift et Chandra est de 24000 secondes soit 6.67 heures alors qu'en moyenne les magnétars présentent une période de 0.1 seconde soit 10 rotations par seconde.

Le SNR RCW 103 alias SNR G332.4-00.4 situé à ~10700 a.l. dans la Règle (Norma) abrite le magnétar le plus lent IE 161348-5055 dont la période est de 6.67 heures. A gauche, une image optique prise par le VST de l'ESO. La nébuleuse mesure environ 10' de diamètre. A droite, une image X composite combinant des observations dans les bandes 0.3-0.7 keV (rouge), 0.7-1.69 keV (vert) et 1.69–3 keV (bleu). Documents ESO et NASA/CXC.

1E 1613 est le 31^e magnétar découvert à ce jour. Il se situe à environ 10700 années-lumière dans la constellation de la Règle (Norma) au coeur du résidu de supernova RCW 103 alias SNR G332.4-00.4 présenté ci-dessus et fut longtemps considéré comme un pulsar. Il émet des éruptions X notamment provoquées par la retombée sur sa photosphère du plasma d'accrétion provenant de l'enveloppe éjectée par la supernova. Mais celle-ci explosa il y a 1800 à 2000 ans, une période trop courte pour qu'un pulsar classique ralentisse autant en perdant son énergie.

Enfin, rappelons qu'en 2020 pour la première fois un flash FRB présentant des émissions X et radio fut associé à un magnétar, SGR 1935+2154 (cf. page 7).

Scientifiquement parlant, les magnétars comptent parmi les astres les plus intéressants à étudier car leur population est très diversifiée. Selon Victoria Kaspi, aujourd'hui directrice de l'Institut spatial McGill à l'Université McGill à Montréal et ancienne membre de l'équipe NuSTAR, "Chaque fois que vous trouvez un magnétar, il vous raconte une histoire différente. Ils sont très étranges et très rares, et je ne pense pas que nous ayons vu toute la gamme des possibilités."

A ce jour, tous les magnétars ont été localisés dans ou près des rémanents de supernovae (SNR), pour citer 1E 1613, SGR 0525-66, SGR 1900+14, SGR 1806-20 et SGR 1627-41. On estime que 10% des SNR pourraient contenir des magnétars.

Selon Duncan précité, il devrait exister des millions de magnétars. La difficulté est qu'on ne peut les détecter qu'au début de leur vie. En effet, un magnétar ne vit qu'environ 10000 ans, un instant à l'échelle cosmique, ce qui ne facilite pas leur détection.

GLEAM-X J162759.5-523504.3

Dans un article publié dans la revue "Nature" en 2022, l'astrophysicienne Natasha Hurley-Walker de l'UCRAR et ses collègues australiens ont annoncé la découverte d'une source radio transitoire présentant des impulsions d'une durée de 30 à 60 secondes se répétant exactement toutes les 18h18s, soit bien plus lent que tous les pulsars et magnétars connus à ce jour. C'est également la source radio transitoire la plus brillante découverte à ce jour.

Cet objet catalogué GLEAM-X J162759.5-523504.3 se situe dans la Voie Lactée, dans la constellation de la Règle (Norma) à 4000 années-lumière du Soleil. Il fut découvert en 2020 par Tyrone O'Doherty, un étudiant honoraire de l'Université Curtin, dans les données archivées en 2018 du sondage "Galactic and Extragalactic All-sky MWA-Extended" ou GLEAM-X exploitant l'installation radioastronomique à basse fréquence MWA installée en Australie (cf. la radioastronomie). Depuis ces quelques évènements, l'objet n'a plus été détecté.

A gauche, l'emplacement de GLEAM-X J162759.5-523504.3 dans la constellation de la Règle (Norma) dans le ciel austral. Au centre, illustration du présumé magnétar à ultra longue période. A droite, quelques antennes du réseau MWA installé en Australie photographiées en mars 2016. Documents ICRAR.

Jusqu'à présent il n'existait que deux catégories d'objets transitoires : les objets transitoires lents comme les supernovae qui présentent un pic d'émission puis décroissent lentement en quelques mois et les objets transitoires rapides comme les pulsars, les magnétars et les RRAT dont les impulsions durent en quelques millisecondes et quelques secondes. Selon l'astrophysicienne Gemma Anderson de l'ICRAR et coauteure de cet article, "découvrir un objet ayant des impulsions durant plus d'une minute est vraiment bizarre". D'autant plus qu'elles sont émises par un astre beaucoup plus petit que le Soleil et incroyablement lumineux, émettant des ondes radio fortement polarisées, ce qui suggère que l'objet génère un champ magnétique extrêmement puissant.

Sur base de la théorie de la dynamo convective précitée de Thompson et Duncan, les chercheurs en déduisent qu'il s'agirait d'un nouveau type de magnétar à période ultra longue. Evoquant l'intensité des flux de cet objet, selon Hurley-Walker, "Nous ne nous attendions pas à ce qu'ils soient si brillants. Et d’une manière ou d'une autre, il convertit l'énergie magnétique en ondes radio beaucoup plus efficacement que tout ce que nous avons vu auparavant, qui correspondrait à cet objet."

Sur base des modèles de magnétar, les chercheurs ont calculé que la luminosité des rayons X émis par GLEAM-X J162759.5-523504.3 serait inférieure à 6 x 10²⁷ ergs/s. Les données du satellite rayons X Swift donnent une valeur < 10³² ergs/s, ce qui représente une valeur de luminosité des rayons X au repos inférieure à celle de tous les magnétars connus sauf deux, SGR 0418+5729 et Swift J1822.3-1606. Or normalement les magnétars émettent plutôt des rayons X et pas systématiquement des ondes radio, l'inverse de ce qu'on observe avec cette source.

Selon les chercheurs, "l'objet transitoire rapide le plus proche est GCRT 1745, une source radio transitoire détectée vers le centre galactique à 330 MHz qui présenta cinq sursauts de 10 minutes avec une périodicité de 77 minutes. Ces sursauts présentaient une évolution de profil lente et une faible polarisation circulaire [...] il pourrait s'agir d'un magnétar à longue période, une interprétation pouvant être appliquée à GLEAM-X J162759.5-523504.3."

A gauche, enregistrement des impulsions basses fréquences détectées dans l'objet GLEAM-X J162759.5-523504.3 durant 84 jours entre janvier et mars 2018. Seuls les 64 signaux les plus distincts sont représentés et alignés sur la période. La gamme de couleurs s'étend de 88 MHz (cyan) à 215 MHz (magenta). Au centre, un exemple d'émission pulsée extrêmement brillante enregistrée à 154 Mhz. A droite, l'espace de paramètres des objets transitoires radio connus à ce jour (2022). La pseudo-luminosité radio est indiquée sur l'axe Y et le produit de la fréquence d'observation ν et de l'échelle de temps transitoire/variabilité W est tracé sur l'axe X. La région ombrée en bleu à droite contient les objets ayant des températures de luminosité qui n'impliquent pas de mécanismes d'émission cohérents. Les symboles "+" indiquent les impulsions (W=30-60 secondes) de GLEAM-X J162759.5-523504.3. Le losange indique une impulsion non résolue (W=0.5 s et S=30Jy). Les lignes magenta diagonales indiquent la sensibilité du MWA aux transitoires pulsants longs à des distances galactiques, pour W=2-60 s dans la bande 72-231 MHz. Documents N.Hurley-Walker et al. (2022).

Pour éviter toute erreur d'interprétation et être exhaustifs, les chercheurs ont exploré des explications alternatives. Vu que l'émission s'est interrompue, il pourrait s'agir de l'éruption cataclysmique d'une étoile. Par exemple une nova, mais son profil spectral, sa courbe lumineuse ainsi que la température du rayonnement ne correspondent pas à cette catégorie d'étoiles. Une supernova correspondrait mieux en terme de luminosité X et d'énergie, mais les émissions ne correspondent pas à celles d'une supernova et il n'y a pas de SNR. En revanche, il y a une source radio compacte. Il pourrait s'agir d'un pulsar très vieux dont le taux de rotation s'est fortement ralenti, mais les modèles indiquent qu'il devrait être mort depuis longtemps. De plus, l'intervalle entres les impulsions est plus long que celui des pulsars, parmi d'autres différences. Reste l'hypothèse de l'éruption d'une naine blanche présentant un grand moment d'inertie induisant une vitesse de rotation très faible et donc particulièrement lumineuse qui n'est pas encore écartée.

Selon les estimations des chercheurs, compte tenu que la luminosité et la répartition spatiale de cette population sont similaires à celles des pulsars, ils estiment pouvoir détecter des centaines d'autres sources similaires dans les 10° autour du plan galactique dont 10 candidats dans les archives de MWA.

La nébuleuse de vent de magnétar (MWN)

Comme il existe des nébuleuses de vent de pulsar (PWN) au coeur des SNR, il existe des nébuleuses de vent de magnétar (MWN). En effet, les magnétars émettent un puissant vent stellaire appelé vent de magnétar constitué de particules de haute énergie. En 2016, les astronomes découvrirent que le magnétar Swift J1834.9-846 (Swift J1834 en abrégé) est enveloppé dans une nébuleuse rayonnant fortement en rayons X (2-10 keV) comme on le voit ci-dessous à gauche. Le satellite Fermi-LAT sensible aux rayons gamma et l'expérience H.E.S.S. installée en Namibie qui exploite l'effet Cherenkov émise par les gerbes électromagnétiques dans l'atmosphère pour observer les rayons gamma cosmiques détectèrent également des émissions gamma provenant de cette source jusqu'à des niveaux d'énergie de l'ordre TeV.

La source gamma présente un rayon d'environ 36 années-lumière et est associée à une émission diffuse de rayons X et à un nuage moléculaire géant (raies CO) qui sont situés au coeur d'un ancien rémanent de supernova catalogué G23.3-0.3 alias SNR W41.

A gauche, image composite RGB en rayons X (R=2-3 keV, V=3-4,5 keV et B=4.5-10 keV) du magnétard Swift J1834.9-0846 enregistrée les 16 mars et 16 octobre 2014. La croix rouge indique la position du magnétar entouré de sa nébuleuse de vent de magnétar (MWN) dénommée SNR W41. Les isocontours délimitent les niveaux 2.5, 3.0 et 3.5 σ. A droite, structure physique du système SNR W41/Swift J1834. Le schéma n'est pas à l'échelle et pour simplifier, les différentes régions d'émission sont représentées par des couches circulaires concentriques bien qu'en réalité la géométrie est irrégulière. Voir le texte pour les explications. Documents G.Younes et al. (2016) et R.Gill et al. (2016) adaptés par l'auteur.

L'émission étendue détectée autour de Swift J1834 représente un cas unique de SNR où l'émission radio à la forme d'une bulle centrée sur le magnétar tandis que l'émission X présente un pic central. On interprète ces observations de la même manière que les nébuleuses de vent de pulsar (PWN) associées aux SNR. Dans ce cas-ci, le puissant vent de particules de haute énergie émis par le magnétar forme une enveloppe interne chaude émettant des rayons X, entourée par une région intermédiaire émettant des rayons gamma, l'ensemble étant entouré par des rémanents ou éjecta plus froids et diffus qui s'étendent jusqu'au contact avec le milieu interstellaire comme on le voit sur le schéma présenté ci-dessus à droite.

L'analyse des émissions X indique que son rayonnement est d'origine purement thermique avec un niveau d'énergie moyen de seulement ~0.6 keV. Comme dans le cas des PWN, les spectres de ce magnétar affichent de fortes raies d'émission X d'un plasma riche en métaux. Grâce aux radiotélescopes, on a découvert que les structures internes de cette source sont animées d'une vitesse radiale de 53 à 63 km/s ce qui permit de déduire que SNR W41 est situé à environ 13000 années-lumière. Selon W.Tian et ses collègues, SNR W41 se serait formé il y a 100000 ans et serait donc plus âgé que la plupart des autres sources de ce type.

Ces observations fournissent la première preuve qu'un ancien SNR peut rester longtemps très actif et interagir avec un nuage moléculaire géant en émettant des rayons gamma intenses au coeur même du nuage.

Prochain chapitre

Les étoiles Wolf-Rayet