Premier relevé de pulsars en bande S dans les amas globulaires avec MeerKAT
Contexte
Les amas globulaires sont des boules d'étoiles denses où les rapprochements fréquents entre étoiles donnent naissance à des pulsars milliseconde dans des systèmes binaires. La plupart des relevés les cherchent aux fréquences de 1 à 1,4 GHz, mais pour les amas lointains à forte mesure de dispersion (nombre d'électrons libres sur la ligne de visée), le signal s'élargit et se diffuse, cachant les pulsars rapides. Ce travail s'inscrit dans la lignée des études récentes sur les pulsars dans les amas : des articles voisins décrivent une écho radio en bordure d'amas, des méthodes pour extraire les pulsars du bruit, des découvertes dans Terzan 5 et d'autres amas. Notre relevé se distingue par l'utilisation systématique, pour la première fois, de la bande S de MeerKAT sur tout un échantillon d'amas, et non sur des objets isolés.
Méthodes
De mars 2023 à 2024, 14 amas globulaires ont été observés avec MeerKAT en bande S (1750–3500 MHz, bande effective de 875 MHz). Quatre faisceaux tied-array ont été utilisés : deux sur le centre de l'amas (réseau complet et cœur de 1 km) et deux sur les positions de pulsars connus. Les données ont été analysées dans le domaine de Fourier avec PRESTO, en appliquant une recherche accélérée et jerk pour compenser le mouvement orbital dans les binaires serrées. Pour ne pas perdre les systèmes rapides, les données ont été découpées en segments de 15, 30 et 60 minutes. Les candidats ont été repliés (fold) et vérifiés visuellement. Pour les pulsars connus, les éphémérides d'archive ont été utilisées. Les flux ont été mesurés par l'équation du radiomètre, en comparant avec les données d'archive en bande L.
Résultats
39 pulsars ont été redécouverts dans 14 amas et quatre nouveaux ont été trouvés dans Glimpse-C01 : J1848−0129C, D, E, F. J1848−0129C est un pulsar milliseconde de période 6,44 ms et de période orbitale 5,03 jours, éclipsant, avec un compagnon de masse 0,35–0,42 M⊙. C'est le premier candidat de la sous-classe « huntsman » dans un amas globulaire. J1848−0129D est un pulsar de période 17,1 ms sur une orbite quasi circulaire de 3,39 jours avec une naine blanche massive d'environ 1 M⊙. J1848−0129E et F sont de faibles pulsars milliseconde binaires. Les mesures de dispersion des pulsars D et F diffèrent de la moyenne de l'amas de plusieurs dizaines de pc/cm³, ce qui indique un milieu interstellaire inhomogène. La comparaison avec d'autres amas a montré que la dispersion des mesures de dispersion croît avec leur valeur moyenne : Glimpse-C01 se situe au-dessus de la relation générale. La sensibilité pratique d'une observation en bande S a atteint 10–20 µJy.
Implications
Le relevé prouve que les hautes fréquences de MeerKAT percent efficacement la dispersion et la diffusion dans les régions denses de la Galaxie, donnant accès à des pulsars invisibles à 1,4 GHz. Contrairement aux travaux voisins, centrés sur des amas particuliers ou des méthodes, on obtient ici pour la première fois un échantillon homogène de flux et d'indices spectraux pour de nombreux amas, ce qui fournit une échelle de sensibilité de référence pour les futurs relevés. La découverte d'un système éclipsant à longue période élargit la zoologie des « araignées » dans les amas.
Développements futurs
Avec l'extension MeerKAT+ et le passage à SKA-Mid, la sensibilité en bande S augmentera, ce qui permettra de pénétrer plus profondément dans les amas obscurcis et de trouver davantage de pulsars rapides. Des campagnes de chronométrage prolongées sont prévues pour les nouveaux systèmes, afin de préciser leurs orbites et, peut-être, de révéler des effets relativistes. La recherche à des fréquences encore plus élevées pourrait devenir la norme pour les amas lointains.
Impact
Les résultats influenceront la stratégie des relevés de pulsars dans les amas, les modèles de population des systèmes binaires et l'utilisation des pulsars milliseconde comme détecteurs d'ondes gravitationnelles.
Prochaines étapes
Poursuivre les observations de chronométrage de J1848−0129C et D pour affiner les orbites et rechercher des effets post-képlériens. Mener des relevés profonds en bande S d'autres amas fortement obscurcis, avec des fenêtres élargies en fonction de la dispersion.
Problèmes ouverts clés
Ce travail est directement lié au problème de la complétude de la population de pulsars dans les amas globulaires : combien de pulsars milliseconde perdons-nous à cause de la diffusion et de la dispersion ? La découverte de quatre nouveaux systèmes dans un seul amas suggère que les amas fortement obscurcis recèlent de nombreux pulsars non découverts, ce qui biaise les estimations des taux de formation et de l'évolution dynamique.
J1848−0129F possède la plus grande mesure de dispersion de tous les pulsars jamais associés à un amas globulaire : 520,1 pc/cm³. Cela signifie que sur le chemin qui nous sépare de lui, le rayon a traversé une quantité énorme d'électrons libres, comme si l'on regardait une étoile à travers une vitre embuée.
Dans le roman « Rendez-vous avec Rama » d'Arthur Clarke, des astronomes remarquent un objet anormal qui perce à travers les interférences. Nos radiotélescopes, qui percent la poussière galactique aux hautes fréquences, rappellent cette image : nous aussi, nous cherchons des aiguilles dans une botte de foin, mais pas dans l'espace, dans les données.
Chiffres clés
- fréquence d'observation: 2,4 GHz (bande S)
- nombre d'amas: 14
- nouveaux pulsars: 4
- pulsars redétectés: 39
- sensibilité: 10–20 µJy en 2 heures