Situé à environ 6 500 années-lumière dans la constellation du Taureau, se trouve l’un des objets cosmologiques les mieux étudiés connu sous le nom de Nébuleuse du Crabe (alias Messier 1). Découverte à l’origine au XVIIIe siècle par l’astronome anglais John Bevis en 1731, la nébuleuse du crabe est devenue le premier objet inclus par l’astronome Charles Messier dans son catalogue d’objets du ciel profond. En raison de sa nature extrême, les scientifiques étudient la nébuleuse du Crabe depuis des décennies pour en savoir plus sur son champ magnétique, ses émissions de haute énergie (rayons X) et la façon dont celles-ci accélèrent les particules à une vitesse proche de la lumière.
Les astronomes se sont particulièrement intéressés à étudier la polarisation des rayons X produits par le pulsar et ce que cela peut nous dire sur le champ magnétique de la nébuleuse. Lorsque des études ont été menées pour la première fois dans les années 1970, les astronomes devaient s’appuyer sur une fusée-sonde pour se rendre au-dessus de l’atmosphère terrestre et mesurer la polarisation à l’aide de capteurs spéciaux. Récemment, une équipe internationale d’astronomes a utilisé les données obtenues par Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) de la NASA pour créer une carte détaillée du champ magnétique de la nébuleuse du crabe qui a résolu de nombreux mystères de longue date sur l’objet.
La recherche a été dirigée par Niccolo Bucciantini, professeur adjoint à l’Université de Florence et à l’Osservatorio Astrofisico di Arcetri. Ils ont été rejoints par des chercheurs de l’Institut national d’astrophysique (INAF), du Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, du RIKEN Cluster for Pioneering Research, du MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA ), NASA Marshall, NASA Goddard et plusieurs universités et instituts de recherche. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Astronomie naturelle.
Une compréhension croissante
La nébuleuse du crabe est un objet d’étude préféré des astronomes et des astrophysiciens depuis des décennies. Connu sous le nom de «nébuleuse du vent pulsar», l’objet est une étoile à neutrons en rotation et pulsation (alias un pulsar) entourée d’une masse de gaz et de poussière. L’interaction entre les deux conduit à des ondes de choc, à de la lumière et des particules à haute énergie et à un champ magnétique chaotique. Ces environnements ne sont pas encore bien compris, ce qui donne aux astronomes l’occasion d’en savoir plus sur les conditions extrêmes résultant des supernovae.
En 1971, l’astronome Martin Weisskopf – scientifique en chef de la NASA pour l’astronomie des rayons X et astronome émérite au Marshall Space Flight Center de la NASA – a effectué les premières mesures de sa polarisation à l’aide d’une fusée-sonde. Ses premiers travaux sont devenus la base de sa proposition d’un télescope spatial plus puissant pour étudier régulièrement les émissions de rayons X des nébuleuses et d’autres sources cosmiques. Sa proposition s’est concrétisée avec la création de l’Observatoire de rayons X Chandra, lancé en 1991, et de l’IXPE qui a suivi en 2021.
La fusée-sonde pourrait étudier la nébuleuse du crabe pendant seulement cinq minutes avant de retomber sur Terre. Cela a été suivi par des mesures prises par le 8e Orbiting Solar Observatory (0S0-8) en 1975, une mission conçue pour étudier les sources de rayons X cosmiques. Ces deux missions ont produit à peu près le même résultat, indiquant que la nébuleuse du Crabe a une polarisation moyenne d’environ 20 %. Tout au long des années 1990, Weisskopf a poursuivi ses explorations de la nébuleuse du crabe en tant que scientifique du projet Chandra (l’un des grands observatoires de la NASA), qui a révélé de nouvelles choses.
Cela comprenait des structures en forme de feuillard se déplaçant à l’intérieur de la nébuleuse qui ont aidé les scientifiques à acquérir une nouvelle compréhension de la relation entre l’énergie du pulsar et les émissions de rayons X. La nébuleuse du crabe a également été étudiée par tous les grands télescopes déployés depuis, y compris Hubble et Spitzer (deux autres grands observatoires). Mais seul l’IXPE (dont Weisskopf est le premier chercheur principal) possède la sensibilité et les instruments nécessaires pour mesurer les émissions de rayons X de la nébuleuse et la polarisation de ses champs magnétiques.
La carte la plus détaillée à ce jour
Pour cette dernière étude (dont Weisskopf était co-auteur), Bucciantini et ses collègues espéraient avoir un nouvel aperçu de la nébuleuse du Crabe en mesurant les polarisations de ses émissions de rayons X brillants. En mesurant la polarisation, les scientifiques peuvent en savoir plus sur le champ magnétique de la nébuleuse, comme son ordre et dans quelle direction il pointe dans différentes parties de la nébuleuse. La turbulence et la géométrie du champ magnétique déterminent comment les particules de « rayons cosmiques » (électrons et noyaux atomiques dépouillés) sont catapultées vers l’extérieur à une vitesse proche de la lumière.
Les données IXPE ont montré que le champ magnétique de la nébuleuse du crabe a la forme d’une nébuleuse du vent Vela Pulsar (en forme de beignet). Cependant, contrairement à leurs attentes, l’équipe scientifique a noté que certaines zones de turbulence du champ magnétique étaient plus inégales et asymétriques. “C’est une indication claire que même les modèles les plus complexes développés dans le passé, avec l’utilisation de techniques numériques avancées, ne capturent pas entièrement la complexité de cet objet”, a déclaré Niccolò Bucciantini.
Les mesures IXPE ont conduit à des résultats similaires à ce que Weisskopf et ses collègues ont trouvé dans les années 1970, indiquant la même polarisation moyenne sur toute la nébuleuse. Cependant, les instruments plus sophistiqués de l’IXPE ont pu affiner l’angle de polarisation et examiner de petites variations sur l’ensemble de la nébuleuse. En particulier, ils ont remarqué que la polarisation était plus faible plus près du pulsar tout en notant la présence de zones de plus grande polarisation à des années-lumière dans les régions extérieures.
Cela a permis à l’équipe de regarder au-delà des rayons X provenant de la nébuleuse du crabe et d’étudier ceux provenant du pulsar lui-même et des champs magnétiques qui l’entourent. Leurs découvertes suggèrent que ces rayons X proviennent de la région du champ magnétique externe (ou région du “vent”), bien que l’emplacement exact et la cause soient encore inconnus. Ils en ont déduit que les chocs générés par le « vent » du pulsar dans le champ magnétique entrent en collision avec les particules de gaz et de poussière dans la nébuleuse et les accélèrent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.
Michela Negro, chercheuse scientifique au Goddard Space Flight Center de la NASA et co-auteur de l’étude, a déclaré : « Le crabe est l’un des objets astrophysiques à haute énergie les plus étudiés dans le ciel. Il est donc extrêmement excitant que nous puissions apprendre quelque chose de nouveau sur ce système en regardant à travers les « lentilles polarisées » d’IXPE. »
Pour Weisskopf, ces résultats ressemblent à une sorte de validation, car ils confirment et s’appuient sur ce sur quoi lui et ses collègues travaillent depuis de nombreuses décennies. “Je suis très fier de tous ceux qui sont associés à IXPE”, a-t-il déclaré. « Tout le monde a travaillé si dur et cela fonctionne comme annoncé. C’est comme si quelqu’un m’avait dit : ‘Martin, tu as bien fait’.
Lectures complémentaires : NASA, Astronomie naturelle
