Rayon de l'étoile à neutrons PSR J0614-3329 d'après les données de NICER
Contexte
Les étoiles à neutrons compriment la matière à des densités supérieures à la densité nucléaire, impossibles à reproduire en laboratoire. Les mesures astronomiques de la masse et du rayon de ces objets constituent donc la principale source d'information sur l'équation d'état de la matière ultra-dense. Ces dernières années, le télescope NICER a mesuré les rayons de plusieurs pulsars, dont PSR J0030+0451, PSR J0740+6620 et PSR J0437-4715. Ce travail ajoute un point supplémentaire au diagramme masse-rayon, précisant le comportement de la matière à des densités plusieurs fois supérieures à la densité de saturation nucléaire.
Méthodes
Les chercheurs ont analysé 1,09 mégaseconde d'exposition de NICER sur le pulsar PSR J0614-3329. Ils ont réparti les photons de rayons X en fonction de la phase de rotation et de l'énergie, obtenant une image bidimensionnelle des pulsations. Ils ont ensuite ajusté un modèle de surface avec des points chauds : des configurations à deux points ronds, deux points ovales et trois points ronds ont été envisagées. Pour chaque photon, la trajectoire dans l'espace-temps courbe a été suivie à l'aide de l'approximation de Schwarzschild aplatie. L'analyse bayésienne avec l'échantillonneur pocoMC a permis d'obtenir les distributions a posteriori de la masse et du rayon. Des ajustements conjoints avec les données de XMM-Newton ont également été effectués, mais ils ont révélé un déficit systématique du modèle par rapport aux observations ; le résultat principal repose donc uniquement sur les données de NICER.
Résultats
Le modèle à trois points ronds s'est avéré préférable : le logarithme du facteur de Bayes dépasse 10 par rapport aux alternatives. Pour le rayon équatorial, on obtient un intervalle de confiance symétrique à 68 % de 9,88–12,77 km. La masse de l'étoile n'est guère contrainte par les données et reste proche de la valeur a priori de 1,44 masse solaire. Le test de qualité d'ajustement donne χ²/dof = 5154,89/5252 (probabilité de 83 %), ce qui indique que le modèle est adéquat. L'analyse conjointe avec XMM-Newton, sous l'hypothèse standard d'un fond connu, conduit à un déficit systématique des comptes prédits : pour XMM-pn, le déficit atteint 3σ. Cela suggère une composante de fond supplémentaire non prise en compte dans le traitement standard.
Implications
La nouvelle mesure du rayon de PSR J0614-3329 affine l'équation d'état de la matière neutronique. L'inclusion de ce résultat dans l'analyse globale abaisse l'estimation médiane de la masse maximale d'une étoile à neutrons non rotative de 2,20 à 2,15 masses solaires et réduit le rayon d'une étoile canonique de 1,4 masse solaire de 12,56 à 12,44 km. C'est un décalage faible mais systématique vers une équation d'état plus molle. Ce travail met également en évidence un problème dans l'utilisation conjointe de NICER et XMM-Newton : le traitement standard du fond de XMM-Newton peut conduire à une sous-estimation du rayon, ce qui est important pour les futures analyses conjointes.
Développements futurs
Des observations supplémentaires de NICER sur d'autres pulsars permettront d'accumuler des statistiques et de resserrer la région admissible de l'équation d'état. Les étoiles de masse proche de 2 masses solaires présentent un intérêt particulier, car la sensibilité à la rigidité de l'équation d'état y est maximale. Le développement de méthodes de prise en compte du fond de XMM-Newton, par exemple l'introduction d'une composante libre supplémentaire, pourrait lever l'écart entre les instruments et améliorer la précision des ajustements conjoints. L'utilisation de données de futures missions à rayons X avec une meilleure résolution temporelle est également prometteuse.
Impact
Les résultats influenceront la physique nucléaire, en contraignant les modèles théoriques de la matière dense, et l'astrophysique des objets compacts, en précisant la relation masse-rayon des étoiles à neutrons.
Prochaines étapes
Mener une analyse similaire pour d'autres pulsars dont la masse est connue par des observations radio. Développer un modèle de fond plus réaliste pour XMM-Newton afin d'améliorer les ajustements conjoints.
Problèmes ouverts clés
Le principal problème non résolu dans ce domaine est la détermination de l'équation d'état de la matière à des densités supérieures à la densité nucléaire. Ce travail affine les contraintes sur cette équation, mais ne résout pas la question de l'existence de transitions de phase, comme l'apparition d'hyperons ou de matière quarkique. La question des erreurs systématiques lors de l'utilisation conjointe de différents instruments à rayons X reste également ouverte.
PSR J0614-3329 effectue 318 tours par seconde, ce qui signifie qu'un point à son équateur se déplace à environ 10 % de la vitesse de la lumière.
Chiffres clés
- Rayon (intervalle à 68 %): 9,88–12,77 km
- Masse (a priori): 1,44 ± 0,07 masse solaire
- Période de rotation: 3,14 ms (318 Hz)
- Exposition NICER: 1,09 Ms
- Logarithme du facteur de Bayes: >10 en faveur de trois points