The FAST Globular Cluster Pulsar Survey (GC FANS)
Le relevé de pulsars dans les amas globulaires GC FANS (FAST Globular Cluster Pulsar Survey) fait état de la découverte de 60 pulsars dans 14 amas globulaires, incluant des binaires records et un candidat rare à double étoile à neutrons, tout en révélant que la majorité de ces amas abritent des populations de pulsars millisecondes ressemblant à celles du disque galactique en raison de densités stellaires plus faibles.
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Au plus profond des cœurs anciens et encombrés des amas globulaires — des collections sphériques de centaines de milliers d'étoiles qui orbitent autour de la Voie lactée depuis des milliards d'années — se cache une population de phares cosmiques. Ce sont les pulsars, les vestiges incroyablement denses et tournant rapidement d'étoiles massives ayant explosé. Alors que la plupart des étoiles de ces amas sont vieilles et calmes, la gravité intense du cœur de l'amas force les étoiles à interagir, les capturant souvent les unes les autres dans des systèmes binaires. Dans ces danses serrées, une étoile morte peut siphonner la matière d'une compagne vivante, s'accélérant pour tourner des centaines de fois par seconde. Ces pulsars « recyclés », connus sous le nom de pulsars millisecondes, sont les horloges les plus précises de l'univers. Les astronomes soupçonnent depuis longtemps que ces amas devraient en regorger, mais pendant des décennies, nos télescopes n'étaient tout simplement pas assez sensibles pour détecter les signaux les plus faibles des plus lointains ou des plus ternes d'entre eux.
Une équipe d'astronomes a maintenant changé ce tableau grâce au télescope à radio de type sphérique à cinq cents mètres de diamètre, ou FAST, situé en Chine. Cet instrument massif, la plus grande antenne radio unique au monde, a mené une recherche approfondie et minutieuse de quarante et un amas globulaires visibles depuis son emplacement. Le résultat est une expansion spectaculaire de nos connaissances : l'étude, connue sous le nom de GC FANS, a découvert soixante nouveaux pulsars dans quatorze amas différents. Cet effort à lui seul fait plus que doubler le nombre de pulsars connus dans le ciel boréal et révèle que ces anciens amas stellaires sont bien plus diversifiés et actifs qu'on ne le pensait auparavant, abritant tout, des pulsars tournant le plus rapidement aux systèmes binaires les plus larges jamais trouvés dans des environnements aussi denses.
L'étude a été conçue pour rechercher des signaux que les télescopes précédents avaient manqués. Parce que les amas globulaires sont souvent très éloignés, les signaux radio de leurs pulsars sont incroyablement faibles. En pointant FAST vers les centres de ces amas pendant des heures à la fois, l'équipe a pu détecter des signaux qui étaient auparavant invisibles. Ils ont découvert que si beaucoup des nouveaux pulsars sont effectivement de la variété milliseconde attendue, tournant en moins de trente millièmes de seconde, la population comprend des exceptions véritablement bizarres. Dans l'amas connu sous le nom de M71, qui est étonnamment clairsemé par rapport aux autres, l'équipe a trouvé un pulsar avec une période de rotation de 101 millisecondes. Cet objet est dans une orbite hautement elliptique avec une compagne massive, et la masse totale du système suggère qu'il s'agit d'une paire de deux étoiles à neutrons. C'est une découverte rare ; la plupart de ces paires dans les amas globulaires sont censées se former par des collisions chaotiques et aléatoires entre les étoiles. Cependant, les propriétés de ce système spécifique suggèrent qu'il s'est formé naturellement à partir d'un système binaire massif au début de l'histoire de l'amas, tout comme des paires similaires trouvées dans les régions plus calmes de notre galaxie, plutôt que par une rencontre violente.
La découverte dans M71 a également révélé deux autres systèmes remarquables, M71B et M71C. Ce sont des pulsars orbitant autour de leurs compagnes selon des boucles incroyablement larges, prenant respectivement près de 466 et 378 jours pour compléter une révolution. Ce sont les systèmes de pulsars binaires les plus larges jamais connus dans un amas globulaire. Dans les environnements denses où ces amas existent habituellement, de telles orbites larges devraient être facilement brisées par l'attraction gravitationnelle des étoiles passantes. Le fait qu'ils aient survécu suggère que M71 est un amas à faible densité où de telles rencontres destructrices sont rares, permettant à ces systèmes délicats et à longue période de perdurer pendant des milliards d'années. Cette découverte remet en question l'idée simple que le nombre de pulsars dans un amas dépend uniquement de la densité d'étoiles ; même dans un amas clairsemé, les bonnes conditions peuvent préserver des systèmes exotiques qui seraient détruits ailleurs.
Au-delà des exceptions exotiques, l'étude a confirmé une tendance plus large : les pulsars trouvés dans ces amas ressemblent souvent aux pulsars millisecondes trouvés dans le disque calme de notre galaxie, plutôt qu'aux systèmes chaotiques et perturbés observés dans les amas les plus denses. Cela suggère que dans de nombreux amas, les étoiles binaires évoluent paisiblement, recyclant les pulsars sans être déchirées par leurs voisines. L'équipe a également mis à jour les mesures de chronométrage précis pour plusieurs pulsars connus, y compris certains dans les amas M92 et NGC 6712. Ces mesures sont cruciales pour tester les lois de la gravité, car le tic-tac précis de ces horloges cosmiques peut révéler de subtiles déviations par rapport à la théorie de la relativité générale d'Einstein. Bien qu'aucune déviation de ce type n'ait encore été trouvée, les nouvelles données fournissent un outil beaucoup plus tranchant pour les tests futurs.
Le succès de cette étude souligne le pouvoir de la sensibilité en astronomie. En étant capable de voir plus faiblement et plus loin, FAST a révélé que la population de pulsars dans les amas globulaires est bien plus riche et variée que ce que nos instruments précédents, moins sensibles, pouvaient montrer. La découverte de ces soixante nouveaux pulsars, incluant les binaires les plus larges et un potentiel système de doubles étoiles à neutrons formé par évolution naturelle, force les astronomes à repenser la formation et la survie de ces systèmes. Cela suggère que même dans les environnements stellaires les plus anciens et les plus encombrés, la nature peut produire une large gamme d'horloges cosmiques, dont certaines battent sans être perturbées depuis presque toute l'âge de l'univers. Tandis que l'équipe continue d'analyser les données et d'affiner ses observations, ces pulsars serviront probablement d'outils encore plus puissants pour comprendre la dynamique des amas stellaires et les lois fondamentales de la physique.
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