Étude multilongueur d'onde des pulsars milliseconde

Multiwavelength study of millisecond pulsars

• Auteur / Autrice : Benoît Pancrazi
• Direction : Jean-François Olive, Natalie Webb
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Étoiles à neutrons

Pulsars

Mots clés libres

Astrophysique des hautes énergies

Etoiles à neutrons

Pulsars

Pulsars milliseconde

Analyse spectrale

Analyse temporelle

Modélisation

Résumé

Les pulsars milliseconde (MSPs) sont des étoiles à neutrons caractérisées par une période de rotation de l'ordre de la milliseconde. Ils sont très probablement accélérés (recyclés) dans des systèmes binaires par transfert de moment cinétique lors d'une phase d'accrétion. A l'image des pulsars normaux, les MSPs sont principalement détectés et observés dans le domaine radio, mais des observations récentes à haute énergie ont montré que certains objets sont également sources de rayons X et gamma. Néanmoins, la question de l'origine de l'émission de haute énergie des MSPs est toujours ouverte. Malgré les avancées théoriques, les grandes dissemblances observées parmi les quelques objets détectés dans les domaines X et gamma ne permettent actuellement pas de répondre à cette question. Cette thèse est consacrée à l'étude des MSPs dans les domaines X, gamma et radio. Grâce à la connaissance des paramètres de rotation déterminés en radio, nous effectuons une recherche systématique de pulsations dans l'émission de haute énergie provenant de six MSPs. La comparaison des profils mesurés dans les différents domaines de longueur d'onde combinée à une étude spectrale fournit des éléments nécessaires à la compréhension de l'origine de l'émission. Ces analyses ont révélé l'existence d'un rayonnement X produit par deux nouveaux objets à ajouter à l'échantillon connu (composé de dix objets avant ce travail), dont l'un est vraisemblablement pulsé, ainsi que de la probable présence de pulsations dans le signal X provenant de trois autres MSPs. Dans le domaine gamma, la détection d'un nouveau signal pulsé vient enrichir l'échantillon actuel de onze MSPs émetteurs gamma. Les résultats suggèrent des origines différentes de l'émission non-thermique dans les domaines X et gamma et soutiennent l'idée que la partie thermique de l'émission X est produite par le réchauffement des calottes polaires. Dans le domaine gamma, la détection de huit amas globulaires (GCs) ouvre de nouvelles perspectives quant à la découverte de nouveaux MSPs. En effet, il est très probable que ces amas denses et âgés d'étoiles liées entre elles par la gravité abritent une large population de MSPs, étant donné le scénario d'accélération de ces derniers. Notre analyse montre que les caractéristiques spectrales mesurées en gamma pour les GCs correspondent à celles attendues pour les MSPs. En suivant l'hypothèse d'une émission intégrée de l'amas due à des MSPs, nous avons pu estimer le nombre de MSPs dans chaque amas détecté ainsi que la population totale dans les GCs de la galaxie. Ce type d'étude représente notamment une opportunité d'étudier le rôle des systèmes binaires, responsables de l'accélération des MSPs, dans la stabilité des GCs. La modélisation de profils d'émission X lorsque celle-ci est d'origine thermique permet de déterminer les paramètres intrinsèques des étoiles à neutrons. Des résultats préliminaires de l'ajustement de tels profils grâce à une méthode de Monte Carlo par Chaînes de Markov sont présentés. Nous étudions la qualité des contraintes obtenues par ajustement des profils d'émission en X avec et sans prise en compte de contraintes sur la géométrie dérivées par la modélisation simultanée des profils gamma et radio pour des objets brillants et dont la masse a été mesurée précisément. A terme, cette méthode devrait aboutir à la contrainte précise de l'équation d'état de la matière dense qui compose les étoiles à neutrons.

Millisecond pulsars (MSPs) are neutron stars with rotation periods of the order of a few milliseconds. They are most likely accelerated in binary systems through the transfer of angular momentum during an accretion phase. Like normal pulsars, MSPs are mostly detected and observed in the radio domain, but recent observations have shown that some of these objects are also X- and gamma-ray sources. Nonetheless, the question of the origin of high-energy emission produced by MSPs is still open. Despite all theoretical advances, large discrepancies amongst the several detected MSPs in the X- and gamma-ray domains make it impossible, at the current time, to answer this question. This thesis is devoted to the study of MSPs in the X-ray, gamma-ray and radio domains. Based on the knowledge of rotational parameters derived from radio observations, I carried out systematic pulsation searches in the signals measured in X- and gamma-rays coming from six MSPs. The comparison of pulse profiles derived in the different energy domains combined with spectral analyses provides essential information for the understanding of the origin of the emission. These analyses revealed the existence of X-ray emission coming from two new objects that add to the small known sample (ten objects before this work), with one possibly showing pulsed emission, as well as signs of pulsations in the signal emitted by three other MSPs. In the gamma-ray domain, the new detection of pulsed emission from one MSP expands the current sample of eleven gamma-ray emitters. The results suggest different origins for non-thermal radiation in the X- and gamma-ray domains. They also support the idea that the thermal X-ray emission is generated by the heating of the polar caps. In the gamma-ray domain, the detection of eight globular clusters (GCs) provides new opportunities for the discovery of new MSPs. It is very likely that these dense, old and gravitationally bound clusters of stars host a large population of MSPs, given their acceleration scenario. Analysis shows that spectral parameters measured in gamma-rays for GCs match those expected for MSPs. Under the assumption that the integrated emission from the cluster is due to that of MSPs, we were able to estimate the number of MSPs in each detected GC and the global population in the Galactic GCs. This type of study is a good opportunity to study the role of binary systems, that are responsible for the acceleration of MSPs, in the stability of GCs. Modelling of X-ray pulse profiles in the case of thermal emission enables the constraint of intrinsic parameters of neutron stars. Preliminary fits of such profiles using Monte Carlo Markov Chains are presented. I study the quality of constraints derived from fitting X-ray profiles, with and without the constraints on geometry obtained from simultaneous modelling of gamma-ray and radio profiles, in the case of bright objects whose mass has been determined accurately. Ultimately, this method should allow the equation of state of neutron stars' dense matter to be tightly constrained.