En cherchant à mieux comprendre les phénomènes astrophysiques liés aux astres compacts que sont les étoiles à neutrons et les trous noirs, un groupe d'astrophysiciens a découvert des binaires gamma dans la Voie lactée et le Grand Nuage de Magellan. L'une de ces sources, le système LMC P3, est la plus brillante connue à ce jour.
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Les trous noirstrous noirs et les étoiles à neutrons n'ont vraiment commencé à être pris au sérieux par la communauté scientifique qu'à la fin des années 1960, avec la découverte des quasars puis des pulsarspulsars. C'est aussi à ce moment-là que l'astronomie gamma prit son essor, tout d'abord dans le cadre des programmes militaires de surveillance des essais nucléaires, puis lors de la découverte des sursauts gamma.

De nos jours, ces objets et phénomènes astrophysiquesastrophysiques sont bien acceptés et couramment étudiés. Cependant, cela ne veut pas dire qu'ils ont livré tous leurs secrets, loin de là. C'est pourquoi des instruments tels que le télescopetélescope spatial Fermi, de la NasaNasa, sont employés par les astrophysiciensastrophysiciens cherchant à mieux comprendre ces astresastres compacts. Ces derniers constituent en effet des laboratoires naturels pour étudier la physiquephysique de l'espace-tempsespace-temps courbe d'EinsteinEinstein ainsi que des phénomènes à hautes énergiesénergies qui pourraient trahir de la nouvelle physique.

L'un des avatarsavatars de cette recherche vient de conduire à une publication sur arXiv faisant état de la découverte du plus brillant système stellairesystème stellaire binaire dans le domaine des rayons gammarayons gamma. Il a été débusqué en 2015 grâce à Fermi dans les restes d'une supernovasupernova ayant explosé dans le Grand Nuage de MagellanGrand Nuage de Magellan (Large Magellanic Cloud ou LMC en anglais), une galaxie spiralegalaxie spirale perturbée située à environ 163.000 années-lumièreannées-lumière de la Voie lactée.


Une vidéo de présentation de LMC P3, la binaire gamma record. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa, Goddard

LMC P3, un système binaire déjà remarqué par Chandra

Baptisé LMC P3, ce système binairesystème binaire s'était en fait déjà signalé aux astrophysiciens en 2012 par ses émissionsémissions dans le domaine des rayons Xrayons X. À l'époque, c'est le célèbre Chandra, un télescope en orbiteorbite de la Nasa, qui avait permis sa découverte. Les chercheurs avaient déjà conclu que, pour rendre compte des observations, on devait être en présence d'une étoile à neutrons ou d'un trou noir en couple gravitationnel avec une étoile chaude contenant l'équivalent de 25 à 40 massesmasses solaires. En conséquence de quoi, le système avait rapidement été catalogué sur la voûte céleste parmi les binaires Xbinaires X massives, c'est-à-dire les high-mass X-ray binary ou HMXB en anglais.

En 2015, une équipe d'astrophysiciens avait remarqué avec Fermi qu'il existait une source gamma puissante semblant située vraiment très proche de LMC P3. Les émissions étaient cycliques avec une période de 10,3 jours environ. S'agissait-il du même objet ?

Pour le savoir, une batterie de télescopes observant dans une large gamme de longueurs d'ondelongueurs d'onde, du domaine radioradio aux rayons X en passant par le visible a été mobilisée pour scruter le rayonnement de la source détectée par ChandraChandra. Une périodicité de 10,3 jours a également été mesurée en radio et en X mais avec des maxima correspondant au minimum des émissions gamma et inversement.

La source gamma LMC P3 observée par Fermi était donc bien la même que la source X de Chandra. Non seulement, il s'avérait maintenant que l'on était en présence de la binaire gamma la plus lumineuse observée, mais aussi de la première de ce genre extragalactique.

Des photons gamma obtenus par effet Compton inverse

Quelle est donc l'origine des rayons gamma émis ? Il est certain que l'étoile massive, avec une température de surface six fois plus élevée que celle de notre SoleilSoleil (environ 6.000 kelvinskelvins) émet un flot de photonsphotons considérable mais ceux-ci ne sont pas assez énergétiques pour rendre compte de l'intensité du flot de photons gamma observé.

Il doit se produire en fait un phénomène appelé « l'effet Comptoneffet Compton inverse ». L'astre compact en orbite autour de l'étoile, que ce soit une étoile à neutrons ou un trou noir, émettrait un flot d'électronsélectrons à très hautes vitessesvitesses, équivalentes à celle de la lumière, et, donc, à hautes énergies. En entrant en collision avec les photons de l'étoile, les électrons leur céderaient une partie de cette énergie, ce qui en ferait alors des photons gamma.

La raison pour laquelle on ne sait pas si la source des électrons relativistes est un trou noir ou une étoile à neutrons est liée au fait que l'on ignore quel angle fait le plan de l'orbite des deux astres. Les mesures réalisées dans le domaine visible en utilisant la méthode des vitesses radialesméthode des vitesses radiales sont donc ambiguës en ce qui concerne l'évaluation de la masse de l'astre compact, tout comme dans le cas des exoplanètes. Il semble probable cependant que l'on soit en présence d'une étoile à neutrons, objet pouvant facilement produire un « vent » d'électrons relativistes du fait du champ magnétiquechamp magnétique de ce type d'astre et de sa rotation, surtout si elle est rapide.