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Les Pulsars gamma avec GLAST
David Smith
Centre d’Etudes Nucléaires de
Bordeaux-Gradignan
( CENBG - in2p3 - CNRS )
21 mars 2017
Equinoxe du printemps!
Les pulsars
David A. Smith
Centre d’Études Nucléaires de Bordeaux-Gradignan
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Pulsar: étoile à neutrons en rotation Pendant une supernova, le cœur d’une étoile
massive se transforme en neutrons.
• ~ 26 km de diamètre
• ~1.4 masses solaires
• 1.6 ms à 10 s par rotation
• Champ magnétique intense
• Comme un phare marin
3
Comme un noyau d'atome plus grand que Bordeaux.
Croûte en fer. Intérieur en neutrons superfluides.
Elle tourne plus vite qu'un moteur de scooter.
Prédit en 1934, découvert ‘par accident’ en 1967.
Maxi: 45k tours/minute.
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• Notre
Etoile à neutrons: 26 km de diamètre
5 millions de tonnes par cm3.
Le soleil tourne sur lui même en 24.5 jours. (A l’équateur. 38 jours aux pôles.)
Réduit à la taille d’une étoile à neutrons, ça ferait ¾ d’une milliseconde
(conservation de rotation).
Pulsar du Crabe: 33 ms.
6
Votre poids = mg,
avec
g = GMT/RT² = 10 m/s².
(T = Terre).
Sur l’étoile à neutrons,
200 milliards fois de plus.
La lumière orbite autour! On voit l’arrière.
Vitesse d’échappement : c/3 à c/2. Trou noir : >c.
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La découverte en radio: 1967
• Afin d'étudier la scintillation interstellaire, ils ont
diminué les constantes RC de leur électronique.
• Surprise! Les étoiles à neutron prédites aux
années '30, mais ils n'étaient pas au courant.
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Crab B0329 Vela MSP J0437 B0355 MSP B1937
Nançay (France) Radiotélescope de Nançay (Sologne)
Un pulsar, c'est une dynamo cosmique!
• La terre est un aimant (50 mTesla).
• Une étoile à neutrons aussi:
cent millions de tesla! (millions de millions de gauss)
• Ça tourne,
et génère un milliard de millions de volts.
• Les électrons arrachés de la surface
sont accélérés, puis rayonnent en radio,
gammas (et plus, si affinités).
radio emission cone
g-ray emission
fan beam
10
« Freinage électromagnétique »
L’énergie de rotation de la ‘toupie’
emportée sous forme de vent d’électrons,
et rayonnements.
Pulsars jeunes
Pulsars "milliseconde“
ou “recyclés”
Le ralentissement ralentit.
Idéale : parabole.
Réelle :
tremblements d’étoile?
>2200 known in radio
6 in optical
>60 in X-rays
>200 in gamma rays
Années
Fré
quen
ce d
e ro
tati
on
~1 supernova/siècle pendant ~10 Gyr
100 millions d’étoiles à neutrons dans
la Voie Lactée.
Un millions pulsent. 2500 connus.
Cimètière après mega-années.
Couleur: pulsars vue en gammas.
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Pulsars “recyclés”,
ou milliseconde
Pulsars "nouveaux nés"
Les MSPs: meilleures horloges naturelles.
Des millions de pulsars morts dans la Galaxie.
Période P de rotation
Renaissance (réincarnation?)
>20% environ d’étoiles sont en systèmes binaires..
Les étoiles à neutrons aussi.
En veillissant, le couple se rapproche et se donne un coup de fouet.
Recyclage de pulsar
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étoile à neutrons:
l’état extrême de la matière.
• Trous noirs : M/R² encore plus extrême,
mais est-ce de la matière?
• Naines blanche : moins extrême.
Comment faire une étoile à neutron?
Digression : Les trous noirs Explication 1:
Vitesse de libération > vitesse de la lumière
vLib > c
Pour la Terre: 40 320 km/h
Pour la Lune: 8 640 km/h
M très grand et/ou r très petit, vLib > c.
Mais! v>c est intérdit,
alors rien ne s’échappe et le trou est NOIR.
Explication 2:
Si rien ne résiste à la gravitation, la masse se
concentrera à un point.
Une étoile: La pression du gaz chaud résiste. Soleil M=M
r = 700 000 km
Une naine blanche: L’étoile ne brule plus. La gravitation la comprime au
point que les électrons des atomes sont serrés
au maximum les uns contre les autres. M~M
r ~ 7 000 km
Une étoile à neutrons: M/r encore plus grand. Les électrons des atomes
s’écrasent contre les protons du noyaux, et
forment des neutrons.
Les neutrons sont serrés au maximum les uns contre
les autres. M=1.4 M r = 13 km.
Un trou noir: M/r très grand. Les neutrons se dissolvent.
Singularité. M> 3M RS = 3 km.
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Petit rappel sur les étoiles…
Notre soleil est un étoile typique. • Les étoiles naissent de la coalescence de nuages de gaz, par
l’attraction gravitationnelle.
• Elles "brûlent" par fusion thermonucléaire.
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Pourquoi le soleil n'explose pas: La pression du gaz chaud résiste à la gravitation.
« pression thermique »
‘B’ comme ‘ballon’.
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Les étoiles MASSIVES 10% des étoiles ont plus que 5x la masse du soleil.
Davantage de compression gravitationnelle
donne fusion thermonucléaire plus "chaude". Bombe à hydrogène (fusion)
↓Centrale de Blaye (fission)
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Betelgeuse – 15 masses solaires.
(on écrit « 15 M
»)
Bellatrix - 8 M
Rigel - 21 M
Saiph - 15 M
Mintaka A - 20 M Mintaka B - 20 M
Alnitak A, B, C – 27, 19, 16 M
Mais si: Je vous promets que 1 M
est normal!
Brillantes, elles dominent celles qu’on voit facilement. Il y aura des supernovae dans le coin…
21 http://www.srl.caltech.edu/ACE/CRIS_SIS/cris.html
Nucléosynthèse stellaire
Étoile massive en fin de vie:
En couches, comme un oignon.
Son cœur de fer deviendra un
pulsar.
22
V. Hess, 1912
Crées dans le big bang
Crées dans les étoiles comme le soleil
Etoiles >5x la masse du soleil
Tout ce qui est plus lourd que le fer (nickel, cobalt) est crée
dans les explosions d’étoiles Supernova!
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Fin de vie d'étoile massive
• Ça brûle vite et chaud. Ça meurt jeune.
• Le cœur devient de plus en plus dense.
• Les atomes serrés les uns contre les autres 100x plus proches que d’hab’.
• L’instant qu’on dépasse 1,4 M
à l’intérieur d’un rayon R,
‘effondrement gravitationnel’’, et
SUPERNOVA!!
Plus brillante que toutes les autres étoiles de la galaxie,
pendant des jours.
24
SN 1994D dans NGC 4526.
Constellation de la Vièrge, 12h 34.0m 02.45s, +07° 42' 04.7"
Type Ia -- les étoiles à neutrons sont crées dans les SN de type II.
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Fin de vie d'étoile massive
Dès qu’on dépasse 1,4 M
(Chandrasekhar 1930), la pression de
dégénérescence des électrons ne résiste plus à la gravitation.
Atomes écrasés, électrons capturés par les protons.
p + e n + n
La chute de l’étoile vers son intérieur énergie cinétique
immense.
SUPERNOVA!! Emballement de divers processus.
~Tout l’or, iode, plomb, argent… de l’Univers crée en quelques instants. Nous sommes poussière d’étoiles.
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Nébuleuse du Crabe, M1,
avec son pulsar au centre.
Supernova (« étoile
nouvelle ») vue par des
astronomes chinois en 1054.
De la poussière partout.
Supernova 1987A,
dans le grand nuage de Magellan.
Nos ancêtres,
les étoiles massives.
27
28
Photo optique Hubble du vestige de supernova "Crab"
Nébuleuse de vent de pulsar au milieu.
Gauche: rayons X, Chandra. Droite: optique Hubble.
Et pulsar
au milieu
de la nébuleuse.
1 SN/siècle dans la Voie Lactée.
100 millions d’étoiles à neutrons.
100 mille pulsars actifs.
Progénitrices des
pulsars.
Nos ancêtres,
les étoiles massives.
Eta Carinae, étoile très
massive du ciel du Sud. Photo Hubble.
Les étoiles massives –
Leurs vents forts répandent les éléments.
radio emission cone
g-ray
emission fan
beam
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et 10 autres.
MNRAS 2006.
33
34
Questions?
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Pulsars – sujets choisis
• Pulsars et Gravitation
Certains pulsars sont les meilleurs horloges naturelles connues, qui
servent pour contrôler et/ou exploiter la théorie d’Einstein.
• Pulsars gamma versus Matière Noire
« Mon » satellite, Fermi, a découvert une grande variété de pulsars
émetteurs de rayons gamma.
Fermi voit aussi un « excès » de gammas vers le centre Galactique.
Signature de matière noire? Ou d’une population cachée de pulsars?
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Pulsars et Gravitation
Certains pulsars sont des horloges excellentes.
(Une très grosse toupie, avec freinage doux et constant.)
On prédit les instants d’arrivée des impulsions.
« Ephéméride de rotation »
Puis, on compare des petites déviations de ces temps d’arrivée avec
les prédictions qui tiennent compte d’effets de gravitation.
heure de départ
de l'observation temps d'arrivée
mesure
En principe, c'est simple...
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Trois observations.
899 observations sur 10 ans:
différences entre ToA et modèle.
TOA = Time-of-Arrival = date d’arrivée
Ismaël Cognard, LPC2E Orléans/Nançay.
GPS = Global Positioning System 24 (32) horloges atomiques en orbite « demi » géostationnaire 20.200 km. Deux orbites par jour sidéral.
Chaque satellite émet continuellement :
« je suis le satellite No. 3, je me trouve à (lat, long),
et au 4ième top il sera précisément telle seconde*. »
Chaque satellite écoute les autres et garde ses
pendules à l’heure.
Le récepteur au sol calcul l’intersection de sphères
de rayon c*(temps de réception – temps
d’émission)
1 mètre = 3 nanosecondes
Corrections relativistes, atmosphériques.
GPS donne le temps universel.
*PPS = Pulse Per Second
Fréquence de communication: 1575.42 MHz
Observations Nançay: 1400 MHz
40
“Barycentrer”
La durée du trajet dépend d'où est l'observatoire
(rotation journalier; orbite autour du soleil ; orbite du
satellite).
On tient compte de la relativité générale.
On ramène la « date » mesurée à celle qu’elle serait au
barycentre du système solaire, avec un
« éphéméride planétaire »
(positions précises des planètes et cetera à tous
moments.)
PSRJ J0610-2100 Ephéméride de rotation d’un pulsar milliseconde (MSP) gamma. RAJ 06:10:13.595 0.044
DECJ -21:00:27.933 0.027
F0 258.97847514810742039 0.0000000000023694
F1 -8.2737009568901611241e-16 1.351442e-19
PEPOCH 55000
POSEPOCH 55000 On compte le nb de tours exacte de l’étoile, sur des décennies.
DMEPOCH 55000
DM 60.66620 Ondes radio retardées par le plasma interstellaire.
PMRA 8.722024538364 1 0.19382 mouvement propre de l’objet sur le ciel PMDEC 16.968192255676 1 0.2036672 (l’étoile à neutron nait comme un boulet de canon de son SN!)
PX 3.302299036450 1 1.3068 parallaxe annuel BINARY BT
PB 0.2860160063898945708 0.0000000001912 Orbite, en jours (7.5 heures!) T0 52814.287219074494576 0.0194292
A1 0.073490064022680769044 0.0000005282
OM 47.372015397145179269 24.4550
ECC 1.63833371e-05 0.00001345
START 54270.490
FINISH 55940.918
TZRMJD 55109.189122665188258
TZRFRQ 1398
TZRSITE f F = Nançay TRES 2.359
EPHVER 5
CLK TT(TAI)
MODE 1
EPHEM DE405 Ephéméride planétaire à utiliser
Pulsar dans un système binaire (vue d’artiste).
Les mesures orbitales confirment les prédictions de la relativité générale avec grande précision.
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Ismaël Cognard, LPC2E Orléans/Nançay.
90 ns!
Prix Nobel en Physique, 1993 -- R. Hulse et J. Taylor
PSR B1913+16 est dans un système binaire avec une autre étoile à neutrons.
La décroissance de l’orbite, dévoilée par l’étude des
temps d’arrivée des impulsions, colle avec celle
due à l’énergie rayonnée en ondes gravitationnelles.
Mais alors…
on avait déjà vu des ondes gravitationnelles et vérifié la Relativité Générale d’Einstein?
Oui, certes. Mais:
i. jamais pour des champs gravitationnels aussi forts, justement là ou une
faille éventuelle se manifesterait ;
ii. On n’avait jamais vu directement * les ondes ;
iii. Leur détection directe donne un nouveau « télescope » astronomique.
Exemple :
première observations de trous noirs dans cette gamme de masse.
retard Shapiro observé sur le pulsar PSR J1909-3744
similaire à :
PSRs J0737-3039 A et B,
découvert en 2003.
Nature 463, 147, 14 January 2010
2PC Fig 2.
Fermi a déclenché la découverte de 75 MSPs repartis sur le ciel entier.
Certains seront utilisés pour chercher des ondes gravitionnelles.
Capter des ondes gravitationnelles – plusieurs radiotélescopes terrestres doivent suivre plusieurs
pulsars « milliseconde » avec une précision de ~100 ns.
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Pulsars gamma versus Matière Noire
Le LAT = Large Area Telescope sur le télescope spatial Fermi.
Un ciel de gammas et de pulsars gamma.
Rappel sur la matière noire.
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LE SPECTRE ELECTROMAGNETIQUE
(electron-volt = 1.6x10-12 erg) ~eV keV,MeV,GeV,TeV
La taille de...
Immeubles, des gens, une abeille, tête d’épingle, microbes, molécules, atomes, noyaux
Longueur d’onde (mètres).
La « lumière » est à la fois une onde et une particule (le « photon »).
mec² = 511 keV, frontière entre rayons X et gamma.
June 11, 2008
Formerly "GLAST"
PSR J2021+3651
Abdo et al. 2009,
ApJ, 700, 1059
8ième !
58
GBM 2nd instrument
Gamma-ray burst monitor
Large Area Telescope
30 MeV à 300 GeV
“Filme” le ciel entier, 8 fois par jour.
Completing the Large Area Telescope, Stanford, California, November 2005.
CsI crystal (cesium iodide)
Photodiodes collect blue scintillation light from passing charged particles.
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One antenna on each side of spacecraft,
to see whole sky, i.e., as many GPS satellites at
a time as possible.
Receiver handles them both together.
One of the two redundant antennae.
Power
Serial communications
(Two of these on spacecraft.)
‘Viceroy’ purchased from Motorola by GD (I was told…)
8 ans de données
La Voie Lactée brille en gammas.
Des rayons cosmiques tapent dans le gaz et poussière pour créer des pions,
et puis p gg et p± m±n e±nn, e± g’s.
Les sources ponctuelles du plan sont principalement des pulsars. En dehors du plan: surtout des “blazars” (noyaux actifs de galaxie émetteurs aux hautes
énergies), avec des pulsars milliseconde (=MSPs) ; des amas globulaires avec MSPs ; et
autre…
Fermi a découvert >220 pulsars gamma, dont la moitié sont des millisecondes.
La création de MSPs est rare, mais ils vivent très longtemps.
``Anatomically correct’’ Milky Way. Reid et al, ApJ 700, 137 (2009) Not an MSP in the Galactic center.
MSP in a globular cluster above the center.
Radio-quiet pulsars have no DM (Dispersion Measure):
assign limit at MW edge (using NE2001).
2PC Fig 4.
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Matière sombre, Energie Noire Matière sombre (ou noire) --
• Dès les années ‘20 et ‘30, on constate que la masse gravitationnelle qui lie
les galaxies et les amas de galaxies est <0,1 de la masse lumineuse.
• Meilleures sont les observations, pire devient le problème.
• Fermi est assez sensible* pour voir la particule supersymmétrique c
proposé par les physiciens des particules, mais n’en voit pas.
• À moins que l’excès de gammas que nous voyons autour du centre
galactique en soit la signature… * Pas dans tous les scenarios.
Energie noire –
• On mesure l’éclat apparent de « chandelles standard » (supernovae de type Ia)
dans des galaxies lointaines, ainsi que leur vitesse de retrait (par effet doppler).
• L’expansion de l’Univers s’accélère (!).
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Les observations sont solides.
Les explications sont faibles.
Fermi cherche la signature cc gg qui viendrait de différents objets célestes.
67
Le ciel du Fermi LAT au-dessus de 10 GeV.
Découverte inattendue: les « Fermi bubbles ».
Vestige d’un ancien jet, de quand notre Galaxie était active?
Le spectre de gammas observé autour du centre Galactique a un excès par
rapport aux attentes ‘simples’ (rayons cosmiques sur gaz et poussière).
Vela, by D.J.Thompson et al (1999)
Vela pulsar
Les gammas dominent la puissance rayonnée des pulsars.
Le spectre est “dur”, et se coupe abruptement vers 3 GeV.
Un débat rage: cc gg donnerait un signature similaire a celle d’une
population de pulsars gamma mal prise en compte.
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Conclusions:
Nos cousins les
pulsars éclairent la
Voie Lactée avec une
lumière einsteinienne.
Fermi et Nançay nous
permettent de les
étudier en détail.
Merci.
On cherche une particule inconnue
(la « WIMP »)
qui remplirait l’espace.
On la cherche aux accélérateurs terrestres
(e.g. LHC au CERN)…
… et parmi les étoiles, en rayons gamma.
Les pulsars imitent la signature attendue…
2PC Fig A-8.
Exemple: PSR J2240+5832 (Découvert d’abord en radio à Nançay,
Theureau et al. 2011, A&A, 525, A94)
• rouge: intensité radio sur une rotation de pulsar (montrée deux fois)
• Noir/bleu: impulsion gamma.
• en bandes d’énergies différentes.
Pulsar Vela. Abdo, A. A. et al. 2009, ApJ, 696, 1084 (3 ans de donnée.)
Ephémérides issues du suivi chronométrique radio (et en X) pour un millier de pulsars
depuis des années. Gros boulot… Thierry Reposeur, Bordeaux.
Convertir le temps d’arrivée de chaque photon qui vient de la direction du
pulsar en phase de rotation, à l’aide d’une éphéméride.
The observable timing parameters of pulsars are:
The spin period P
The rate of slowing, Ṗ = dP/dt
If we assume a magnetic dipole with the size/mass of a neutron star,
losing energy by electromagnetic braking, then a whole set of physical
parameters about the system can be approximated.
Characteristic age : t = ½ P/ Ṗ
Surface B field: B = 3.2x1019 (P Ṗ)1/2 Gauss
Open field line voltage V = 4 x 1020 Ṗ1/2 P3/2 Volts
Size of “speed of light” cylinder RL = 5 x 109 P cm
Spin-down power: Ė = 4p²I Ṗ /P3
I is the moment of inertia
Observed and Derived Parameters of Pulsars
5th Fermi Symposium, Nagoya
Gamma-ray luminosity versus spindown power
Uncertainties in
Shklovskii correction.
For Crab, LMC,
include X-ray fluxes.
Update of 2PC Fig 9.
d : Pulsar distance
fW : ‘beam fraction’ (set to 1)
G100 : integral energy flux >100 MeV
soft g pulsar
Ė range
Un regard vraiment différent sur l’Univers...
Les ondes gravitationnelles
“Virgo”, à Pise
77
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V. Hess, 1912
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GLAST renamed Fermi by
NASA on August 26, 2008
http://fermi.gsfc.nasa.gov/
“ Enrico Fermi (1901-1954) was an Italian
physicist who immigrated to the United
States. He was the first to suggest a viable
mechanism for astrophysical particle
acceleration. This work is the foundation for
our understanding of many types of
sources to be studied by NASA’s Fermi
Gamma-ray Space Telescope, formerly
known as GLAST. ”
Syntaxe NMEA
81
pourquoi appeller ces rayons "gamma"?
• Marie Curie et al ont découvert les "rayonnements
ionisants" il y a un siècle.
• Ils ont vu des types différents de radioactivité, qu’ils ont
appelé
a b g d
On sait aujourd'hui que a, c'est un noyau d‘hélium ;
que b et d sont des électrons,
et g est un photon énergétique.
Les noms historiques sont restés.
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Rappel: les sursauts gamma ( = GRB = gamma-ray bursts)
• En 1967, la US Air Force a découvert des ‘flashs’ quotidiens de gammas célestes.
• Longtemps mystérieux.
• Des cataclysmes dans des galaxies très lointaines.
E = mc², avec m > M
• Brièvement plus lumineux que la galaxie hôte.
• VIRGO/LIGO cherchait la fusion d’étoiles à
neutrons binaires quand ils ont vu celle de deux
trous noirs.
• Fusion de trous noirs – gammas inattendus. (matière des alentours déjà nettoyée…)
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Distances: Dispersion measure • On mesure le nombre d’electrons le long de la ligne de visée.
• On applique un modèle de la distribution des electrons dans
la Galaxie pour obtenir la distance d.
Parkes (Australia)
Nançay (France)
“Dispersion” – le plasma du milieu interstellaire donne un index de refraction à l’espace.
Le signal radio est retardé. Davantage pour fréquences radio petites.
Mesure précise du nombre d’électrons le long de la ligne de visée.
