Pour la première fois, des astronomes ont mesuré et cartographié la polarisation des rayons X provenant des restes d’une étoile explosée lointaine.

Les résultats des débris d’une étoile connue sous le nom de Cassiopée A (Cas A) pourraient apporter un nouvel éclairage sur la nature des jeunes restes de supernova et leurs champs magnétiques, qui peuvent accélérer les particules à une vitesse proche de celle de la lumière.

Les découvertes fournissent une nouvelle façon de reconstruire la mort explosive des étoiles massives lorsqu’elles deviennent supernova, un processus qui ensemence l’univers avec des éléments qui deviennent les éléments constitutifs de la prochaine génération d’étoiles.

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Les astronomes ont collecté des données de rayons X de Cas A, situé à 11 000 années-lumière dans la constellation de Cassiopée, à l’aide de l’observatoire spatial Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE).

Le premier objet qu’IXPE a commencé à observer après son lancement en décembre 2021, le cas A, a été choisi car les ondes de choc générées par sa supernova sont parmi les plus rapides de la Voie lactée.

Les ondes de choc ont été créées lorsqu’une étoile massive a manqué de combustible de fusion et ne pouvait plus résister à l’effondrement gravitationnel. Lorsque le noyau de l’étoile s’est effondré, une supernova massive a explosé et envoyé ces ondes de choc à travers ce qui était autrefois les couches externes de l’étoile.

La lumière issue de la destruction de cette étoile massive et de la formation des débris de l’étoile Cas A, large d’environ 29 années-lumière, a balayé la Terre il y a plus de 300 ans.

Dans des conditions extrêmes autour des restes de supernova comme Cas A, les champs magnétiques piègent les particules chargées comme les électrons et les protons et les accélèrent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Ces particules, malgré leur super vitesse, sont piégées autour de restes de supernova se déplaçant le long de trajectoires courbes.

Lorsque des particules chargées se déplacent le long de trajectoires courbes à des vitesses proches de la lumière ou à des vitesses relativistes, elles génèrent une forme intense de lumière appelée rayonnement synchrotron. Ce rayonnement provient du résidu de supernova dans la gamme de longueurs d’onde de la lumière, y compris les ondes radio à faible énergie et les rayons X à haute énergie.

Ce rayonnement est polarisé par des champs magnétiques quelle que soit sa longueur d’onde, ce qui signifie qu’il code des informations sur le champ magnétique des restes de supernova dont il provient.

Désormais, grâce aux données IXPE, les astronomes peuvent mesurer cette polarisation des rayons X et ainsi percer les secrets des champs magnétiques autour de Cas A.

« Sans IXPE, nous manquions d’informations importantes sur des objets comme Cas A », a déclaré Pat Slane, qui dirige la recherche sur les restes de supernova à IXPE, dans un communiqué. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). « Ce résultat nous enseigne un aspect fondamental des débris de cette étoile qui explose – le comportement de ses champs magnétiques. »

L’étude de la polarisation de la lumière de Cas A a permis aux astronomes de reconstituer à petite échelle les processus se produisant à l’intérieur du résidu de supernova. Cela leur a permis de collecter des informations sur Cas A et son champ magnétique qui ne pouvaient être obtenues d’aucune autre manière.

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Cassiopée A vue par l’observatoire de rayons X Chandra, avec des annotations qui marquent les vecteurs de polarisation de ses rayons X vus par IXPE. (Crédit image : Chandra : NASA/CXC/SAO ; IXPE : NASA/MSFC)

Reconstitution de la scène de mort explosive d’une star

L’angle de polarisation de la lumière d’un résidu de supernova indique la direction de son champ magnétique. Un faible degré de polarisation indique que les champs magnétiques sont proches des ondes de choc ou des fronts de choc. Cela est dû au fait que les champs magnétiques près du front de choc sont intriqués et chaotiques, orientés dans des directions différentes, ce qui conduit à moins de polarisation.

« Ces résultats IXPE ne correspondaient pas à nos attentes, mais en tant que scientifiques, nous aimons être surpris », a déclaré Jakko Vinck, astrophysicien et auteur principal de l’Université d’Amsterdam. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). « Le fait qu’un plus petit pourcentage de rayons X soit polarisé est une propriété très intéressante – et jusque-là inaperçue – de Cas A. »

Cette faible polarisation signifie que les rayons X dans le cas A sont générés dans des régions turbulentes avec de nombreuses directions de champ magnétique différentes.

« Cette étude reflète toute l’innovation que l’IXPE apporte à l’astrophysique », a déclaré Riccardo Ferrazzoli, co-auteur de l’étude et chercheur à l’Institut national italien d’astrophysique et à l’Institut d’astrophysique spatiale et de planétologie de Rome. « Non seulement nous avons obtenu pour la première fois des informations sur les propriétés de polarisation des rayons X pour ces sources, mais nous savons également comment elles changent dans différentes régions de la supernova.

« Comme premier objectif de la campagne d’observation IXPE, Cas A a fourni un « laboratoire » d’astrophysique pour tester toutes les méthodes et outils d’analyse développés par l’équipe ces dernières années. »

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Représentation artistique de l’observatoire IXPE dans l’espace. (Crédit image : NASA)

Les observations du rayonnement synchrotron des ondes radio de Cas A à l’aide de radiotélescopes ont déjà montré qu’il est produit dans des régions de presque tout le reste de la supernova. Seul un petit nombre de ces ondes radio – environ 5% – sont polarisées. Ces données d’ondes radio semblent indiquer que le champ magnétique de Cas A est orienté radialement, comme les rayons d’une roue de bicyclette rayonnant de son centre vers la jante extérieure.

Cependant, les observations du synchrotron à rayons X à plus haute énergie par l’observatoire à rayons X Chandra de la NASA racontent une histoire différente. Ces sursauts d’énergie plus élevée semblent provenir de régions minces le long des ondes de choc, près du bord extérieur circulaire de Cas A, une région où les champs magnétiques devraient s’aligner avec les ondes de choc.

Avant l’IXPE, les scientifiques avaient prédit que la polarisation des rayons X serait produite par des champs magnétiques alignés à 90 degrés (perpendiculaires) aux champs magnétiques qui polarisent l’émission des ondes radio.

Au lieu de cela, les données de rayons X IXPE suggèrent que les champs magnétiques qui polarisent cette lumière à haute énergie sont alignés radialement et proches du front de choc. Les rayons X de Cas A semblent également avoir un degré de polarisation inférieur à celui même des ondes radio.

IXPE sera désormais utilisé pour étudier d’autres restes de supernova. Les astronomes s’attendent à ce que chaque observation révèle de nouvelles informations sur ces violentes explosions cosmiques et l’environnement qu’elles créent.

« Ces résultats fournissent un aperçu unique de l’environnement nécessaire pour accélérer les électrons à des énergies incroyablement élevées », a déclaré Dmitry Prokhorov, co-auteur de l’étude et chercheur à l’Université d’Amsterdam. « Nous n’en sommes qu’au début de cette histoire policière, mais pour l’instant, les données IXPE nous donnent de nouvelles pistes que nous pouvons suivre. »

Les recherches de l’équipe sont détaillées dans un document hébergé sur le serveur de prépublication ArXiv. (s’ouvrira dans un nouvel onglet).

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