Un projecteur qui perce la brume : comment MeerKAT a trouvé des pulsars dans un amas obscurci
La nuit, dans la brume, un projecteur éclaire moins bien qu'en plein jour : les fines gouttelettes diffusent le faisceau, et les objets lointains se noient dans un voile trouble. C'est à peu près ainsi que les ondes radio des pulsars se perdent dans le milieu interstellaire lorsque, entre l'étoile et nous, s'accumulent beaucoup d'électrons libres. Les astronomes cherchent depuis longtemps des pulsars dans les amas globulaires, ces boules denses de plusieurs centaines de milliers de vieilles étoiles où les rencontres fréquentes donnent naissance à des pulsars millisecondes. Pourtant, les relevés classiques à 1,4 GHz ne voient souvent pas les signaux rapides des amas lointains : les électrons étalent l'impulsion, comme la brume étale la lumière.
Pour percer la brume, l'équipe a utilisé le radiotélescope MeerKAT, en Afrique du Sud, à une fréquence plus élevée, environ 2,4 GHz, dans ce qu'on appelle la bande S. De mars 2023 à 2024, elle a observé 14 amas globulaires en pointant quatre faisceaux simultanément : deux vers le centre de l'amas et deux vers les positions de pulsars déjà connus. Les données ont été analysées dans le domaine de Fourier avec le programme PRESTO, en appliquant une recherche accélérée et avec jerk pour compenser le mouvement orbital des pulsars dans les systèmes binaires serrés. Pour ne pas manquer les systèmes rapides, les données ont été découpées en segments de 15, 30 et 60 minutes, puis additionnées et les candidats vérifiés visuellement.
Le résultat a dépassé les attentes. Dans les 14 amas, 39 pulsars connus ont été redétectés et quatre nouveaux ont été trouvés dans l'amas Glimpse-C01. L'un d'eux, J1848−0129C, est un pulsar milliseconde de période 6,44 ms et de période orbitale 5,03 jours. Il est éclipsé : son compagnon le masque périodiquement, comme un nuage cache un phare. La masse du compagnon est de 0,35–0,42 masse solaire, et c'est le premier candidat de la sous-classe « huntsman » dans un amas globulaire. Un autre nouveau pulsar, J1848−0129D, tourne en 17,1 ms sur une orbite presque circulaire autour d'une naine blanche massive d'environ une masse solaire. Les deux derniers, J1848−0129E et F, sont de faibles pulsars millisecondes binaires.
Les mesures de dispersion, c'est-à-dire la quantité d'électrons libres sur la ligne de visée, sont particulièrement intéressantes. Pour les pulsars D et F, elles s'écartent de la moyenne de l'amas de plusieurs dizaines de parsecs par centimètre cube. Cela indique un milieu interstellaire hétérogène : la brume n'est pas uniforme, elle contient des grumeaux denses. En comparant différents amas, les astronomes ont vu une régularité : plus la mesure de dispersion moyenne est grande, plus la dispersion des valeurs au sein de l'amas est forte. Glimpse-C01 se situe au-dessus de cette relation générale, ce qui signifie que pour les amas lointains, il faut élargir les fenêtres de recherche en mesure de dispersion.
Auparavant, on ne savait pas à quel point les hautes fréquences étaient efficaces pour chercher des pulsars dans des amas très obscurcis, ni combien de pulsars nous perdrions à cause de la diffusion à 1,4 GHz. Il est désormais démontré que la bande S de MeerKAT détecte régulièrement des pulsars jusqu'à 10–20 microjanskys et découvre de nouveaux systèmes dans Glimpse-C01, dont un système éclipsé à période orbitale record. La méthode peut être appliquée immédiatement pour planifier les futurs relevés avec MeerKAT+ et SKA-Mid, afin de ne pas manquer les pulsars dans les régions denses de la Galaxie.
Le projecteur à haute fréquence a percé la brume et montré que les amas obscurcis cachent beaucoup de pulsars non découverts. Quand MeerKAT s'étendra en MeerKAT+ et que SKA-Mid apparaîtra, la sensibilité augmentera et nous pourrons regarder encore plus loin. Peut-être alors la brume se dissipera-t-elle définitivement, et nous verrons tous les phares qui étaient jusque-là cachés.
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.