A FAST search for radio pulsations during the dormant state of the AMSPs IGR J00291+5934 and MAXI J1957+032

En utilisant le télescope à ouverture sphérique de cinq cents mètres (FAST), des chercheurs ont mené une recherche radio profonde dans la bande L pour détecter des pulsations provenant des pulsars millisecondes accréteurs IGR J00291+5934 et MAXI J1957+032 durant leurs états de quiescence, mais n'ont détecté aucun signal, établissant ainsi les limites supérieures les plus strictes sur la densité de flux radio pulsé pour les AMSP persistants à ce jour.

L'essentiel

Imaginez que l'univers est une immense piste de danse bruyante. Au centre de cette piste se trouvent deux types de danseurs très spécifiques : les Pulsars Millisecondes Accrétant (AMSP) et les Pulsars Millisecondes Transitionnels (tMSP).

Tous deux sont essentiellement des étoiles mortes (étoiles à neutrons) qui tournaient lentement autrefois. Mais ils ont trouvé un partenaire (une étoile plus petite) et ont commencé à voler son « dîner » (gaz et poussière). En mangeant cette nourriture, ils se sont mis à tourner incroyablement vite, des centaines de fois par seconde, comme un patineur artistique qui ramène ses bras vers son corps.

Voici le mystère que l'article étudie :

• Les tMSP sont comme des danseurs polyvalents. Lorsqu'ils mangent (accrétion de matière), ils brillent en rayons X. Mais lorsqu'ils finissent de manger et passent à un état « calme », ils activent soudainement un signal radio, émettant un flash comme un phare que nous pouvons voir depuis la Terre.
• Les AMSP sont les cousins obstinés. Ils mangent aussi et tournent vite, et ils brillent en rayons X. Pourtant, lorsqu'ils finissent de manger et deviennent calmes, ils devraient théoriquement activer ce même phare radio. Pourtant, malgré des années de recherche, nous ne les avons jamais vus s'allumer. Ils semblent simplement devenir silencieux.

Le but de l'étude
Les auteurs voulaient résoudre ce mystère en utilisant le télescope FAST, qui est comme la plus grande et la plus sensible oreille du monde (une antenne de 500 mètres en Chine). Ils ont décidé d'écouter très attentivement deux AMSP spécifiques, nommés IGR J00291+5934 et MAXI J1957+032, pendant leurs périodes de « calme ».

Imaginez que vous essayez d'entendre un chuchotement dans une bibliothèque. Les auteurs voulaient voir si ces deux étoiles « obstinées » avaient finalement décidé de chuchoter leurs signaux radio, ou si elles étaient véritablement muettes.

Comment ils ont procédé

1. La configuration : Ils ont pointé la géante oreille FAST vers ces deux étoiles pendant environ 20 à 50 minutes chacune.
2. La vérification de sécurité : Avant d'écouter les chuchotements radio, ils ont utilisé des télescopes à rayons X (Swift) et des caméras optiques (Las Cumbres Observatory) pour s'assurer que les étoiles étaient réellement « calmes ». Ils voulaient confirmer que les étoiles avaient arrêté de manger. Si les étoiles étaient encore en train de manger, le signal radio pourrait être noyé par le bruit du repas.
   • Résultat : Les vérifications ont confirmé que les étoiles étaient effectivement calmes. Le « dîner » était terminé.
3. La recherche : Ils ont utilisé des ordinateurs puissants pour passer au crible les données radio, à la recherche d'un motif répétitif (une impulsion) qui correspond à la vitesse de rotation connue de ces étoiles. Ils ont cherché des signaux à travers une large gamme de fréquences, au cas où le signal serait caché ou décalé.

Les résultats
Le résultat est un peu décevant pour la théorie du « phare radio », mais très important pour la science :

• Aucun signal radio trouvé : Même avec la meilleure oreille du monde, ils n'ont rien entendu. Aucun signal radio.
• Le silence est profond : Ils ont calculé que si ces étoiles envoyaient des signaux radio, ces signaux devraient être incroyablement faibles — plus faibles que n'importe quel autre AMSP connu que nous ayons tenté de trouver. Ils ont établi une « limite de silence » (limite supérieure) d'environ 3 à 6 micro-Janskys. Pour donner une perspective, c'est comme essayer d'entendre le cri d'un grillon à un kilomètre de distance, et même le micro le plus sensible n'a pas pu le capter.

Pourquoi n'ont-ils rien entendu ?
L'article suggère quelques raisons pour lesquelles ces étoiles pourraient être « muettes » même lorsqu'elles sont calmes :

1. Elles sont simplement trop faibles : Peut-être que ces étoiles spécifiques sont naturellement des étoiles radio « ultra-faibles », plus faibles que leurs cousines.
2. Le faisceau a manqué notre cible : Imaginez un phare. Si le faisceau lumineux tourne mais pointe loin de votre maison, vous ne le verrez pas. Peut-être que le faisceau radio de ces étoiles pointe simplement ailleurs que vers la Terre.
3. Le « brouillard » de gaz : C'est la théorie la plus intéressante. Les auteurs suggèrent que même si les étoiles ont arrêté de manger, il pourrait rester un mince « brouillard » invisible de gaz provenant du repas entourant l'étoile. Ce brouillard pourrait absorber ou disperser les ondes radio, agissant comme une couverture épaisse qui étouffe le son avant qu'il ne nous parvienne. Cela est plus susceptible de se produire dans les systèmes où les étoiles sont très proches (périodes orbitales courtes).

L'essentiel à retenir
Ce document est une « recherche du signal radio manquant » très approfondie. Les auteurs ont utilisé les meilleurs outils disponibles pour écouter deux étoiles calmes. Ils n'ont rien trouvé. Cela s'ajoute à une liste croissante de preuves selon lesquelles les AMSP pourraient être fondamentalement différents des tMSP. Alors que les tMSP activent joyeusement leurs phares radio lorsqu'ils arrêtent de manger, les AMSP pourraient rester silencieux, peut-être parce qu'ils sont trop faibles, qu'ils pointent dans la mauvaise direction, ou parce qu'ils sont encore entourés d'un « brouillard » qui bloque le signal.

L'étude ne prétend pas avoir résolu tout le mystère, mais elle a établi les règles les plus strictes à ce jour sur la mesure de leur silence, aidant les futurs astronomes à savoir exactement de quelle sensibilité leurs prochaines « oreilles » devront disposer pour enfin les entendre.

Résumé technique

Résumé technique : Une recherche FAST de pulsations radio dans les AMSP dormantes

Énoncé du problème
Les pulsars millisecondes accrétant (AMSP) et les pulsars millisecondes transitionnels (tMSP) représentent des systèmes binaires à faible masse (LMXB) contenant des étoiles à neutrons qui tournent à des centaines de Hz. Bien que les tMSP soient connus pour transiter entre des états de rayons X alimentés par l'accrétion et des états de pulsars radio alimentés par la rotation pendant la quiescence, les pulsations radio n'ont jamais été détectées dans les AMSP en quiescence, à l'exception notable d'IGR J18245−2452. Cette divergence soulève des questions fondamentales concernant le « scénario de recyclage des pulsars » : les AMSP et les tMSP constituent-ils des classes évolutives distinctes ou différentes phases d'une séquence continue ? Plus précisément, il reste à déterminer si les AMSP s'éteignent en tant que pulsars radio lorsque l'accrétion cesse, ou s'ils restent radio-silencieux en raison de facteurs externes tels que des disques d'accrétion résiduels, des éclipses ou la diffusion par effet de diffusion libre (free-free scattering).

Méthodologie
Les auteurs ont mené des observations radio profondes de deux AMSP, IGR J00291+5934 et MAXI J1957+032, en utilisant le télescope FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) dans la bande L (1–1,5 GHz). Ces cibles ont été sélectionnées car elles sont les seuls AMSP visibles depuis l'emplacement de FAST (avec Aql X−1).

• Observations :
  • IGR J00291+5934 : Deux observations de 50 minutes les 22 septembre et 23 octobre 2022.
  • MAXI J1957+032 : Une observation de 20 minutes le 8 octobre 2023.
  • Les observations ont été synchronisées avec la conjonction inférieure des pulsars afin de minimiser les éclipses de signal par le matériel circumbinaire.
• Contexte multi-longueurs d'onde : Pour vérifier que les sources étaient dans un état de quiescence (état de faible luminosité X), les auteurs ont effectué des observations simultanées ou quasi simultanées avec Swift (X) et l'observatoire Las Cumbres (optique).
• Analyse des données :
  • Radio : Les données ont été traitées à l'aide du progiciel PRESTO. Les auteurs ont employé une recherche aveugle de mesures de dispersion (DM) allant de 0 à 400 pc cm⁻³.
  • Techniques de recherche :
    1. Repliement par force brute (Brute-force folding) : En utilisant les éphémérides X connues, permettant des recherches d'accélération autour de la fréquence de rotation prédite.
    2. Recherche d'accélération/jerk : Utilisant la routine accelsearch pour tenir compte de l'évolution orbitale et des effets d'accélération d'ordre supérieur, étant donné que la durée de l'observation était d'environ 30 % de la période orbitale.
    3. Recherche du nœud ascendant : Utilisant SPIDER_TWISTER pour corriger les dérives potentielles du temps du nœud ascendant ($T_{asc}$).
    4. Recherche d'impulsions uniques : Recherche de sursauts sporadiques à l'aide de single_pulse_search.py.
  • Limites supérieures : En l'absence de détections, les auteurs ont calculé les densités de flux minimales détectables ($S_{min}$) en utilisant l'équation du radiomètre, corrigée par l'efficacité de recherche ($E(\delta)$) basée sur le cycle de travail de l'impulsion ($\delta$).

Résultats clés

• Non-détection : Aucun signal radio périodique cohérent significatif n'a été détecté pour aucune des deux sources, ni à leurs fréquences de rotation connues, ni à d'autres fréquences. Aucun candidat d'impulsion unique convaincant n'a été trouvé.
• Vérification de l'état :
  • Rayons X : Les observations Swift ont établi des limites supérieures sur la luminosité X ($L_X$) de $< 4,2 - 5,5 \times 10^{32}$ erg s⁻¹ (0,5–10 keV). Ces valeurs sont inférieures à la luminosité typique des « états de disque » des tMSP ($10^{33} - 10^{34}$ erg s⁻¹), suggérant que les sources étaient en quiescence.
  • Optique : Pour IGR J00291+5934, les limites supérieures optiques ($i' > 19,9 - 21,6$ mag) sont cohérentes avec les mesures précédentes en période de quiescence et nettement plus faibles que lors des phases d'éruption (outburst).
• Limites de densité de flux : En supposant un cycle de travail typique de pulsar milliseconde de 10 %, les auteurs ont dérivé les limites supérieures les plus strictes à ce jour pour les AMSP persistants :
  • IGR J00291+5934 : $S_{min} < 3,3$ µJy.
  • MAXI J1957+032 : $S_{min} < 5,6$ µJy.

Signification et affirmations
L'article affirme que ces résultats représentent la recherche la plus profonde de pulsations radio dans les AMSP en quiescence à ce jour. Les auteurs soulignent plusieurs implications :

1. Confirmation de la tendance de non-détection : Les résultats renforcent le schéma historique où environ 90 % des AMSP en quiescence ne présentent pas de pulsations radio, contrastant avec les tMSP.
2. Distinction évolutive : L'absence persistante d'activation radio des AMSP suggère qu'ils ne transitent peut-être pas vers l'état de pulsar radio alimenté par la rotation de la même manière que les tMSP. Cela remet en question la vision selon laquelle ils ne seraient que différentes phases d'une même séquence évolutive.
3. Explications alternatives : Les auteurs discutent des raisons possibles de la non-détection au-delà de la faible intrinsèque radio, notamment :
   • Accrétion résiduelle : Un disque d'accrétion résiduel faible pourrait supprimer l'émission radio (bien que les limites X rendent un « état de disque » peu probable).
   • Facteurs géométriques : Le faisceau du pulsar peut ne pas intercepter la ligne de visée (probabilité d'environ 66 %).
   • Diffusion par effet de diffusion libre (Free-Free Scattering) : Le matériel entourant le pulsar (potentiellement piloté par un mécanisme d'« éjection radio ») pourrait absorber les ondes radio. Les auteurs notent une tendance provisoire où les AMSP ayant des périodes orbitales plus courtes (systèmes plus compacts) sont plus susceptibles à cet effet.
4. Ralentissement séculaire (Secular Spin-Down) : L'absence d'activation de pulsar radio implique que le ralentissement séculaire observé dans certains AMSP ne peut être attribué au rayonnement de dipôle magnétique en quiescence, pointant plutôt vers d'autres mécanismes comme des couples résiduels ou des phases de faible « propeller ».

Les auteurs concluent que bien que FAST offre une sensibilité sans précédent, la non-détection de pulsations radio dans ces cibles suggère que soit les AMSP sont intrinsèquement radio-faibles, soit des facteurs environnementaux (comme le matériel intra-binaire) empêchent la détection. Un suivi futur avec des installations comme le Square Kilometre Array (SKA) est nécessaire pour résoudre définitivement si les AMSP peuvent un jour s'activer en pulsars radio en période de quiescence.