Cygnus X-3 (Cyg X-3), connu pour ses puissants rayons cosmiques, est une source binaire de rayons X formée par un objet compact qui attire un flux de gaz d’une étoile compagne : son émission intense n’est cependant pas due uniquement au rayonnement produit par le système, mais est le résultat d’une amplification : voici ce que viennent de découvrir les chercheurs.
Cygnus X-3 et son émission de rayons X / Crédit : NASA
Le mystère de Cygnus X-3, la puissante source de rayons X située à 37 000 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Cygne, également connue sous le nom de « puzzle astronomique » en raison de son comportement difficile à interpréter, semble enfin avoir été résolu : l’émission intense, qui fait de Cygnus X-3 l’une des sources de rayons X les plus puissantes de la Voie Lactée, n’est pas liée uniquement au rayonnement produit par le système, mais aussi à l’amplification exercée par ce qui cache la source, une enveloppe de matière dense et opaque qui réfléchit le rayonnement avant qu’il ne nous parvienne. En d’autres termes, ce que nous voyons de la source Cygnus X-3 – qui est supposée être formée par un objet compact (un trou noir ou une étoile à neutrons) attirant un flux de gaz d’une étoile compagne – serait le rayonnement réfléchi par la matière entourant la source elle-même, probablement des poussières et des gaz qui ne sont pas capturés mais créent un écoulement autour de l’objet.
Pour comprendre la nature du système, Cygnus X-3 a été largement étudié ces dernières années, mais le tournant dans la compréhension de son secret est venu grâce à IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer), l’observatoire spatial mesurant la polarisation des rayons X cosmiques, lancé en 2021 dans le cadre de la collaboration entre la NASA et l’Agence spatiale italienne (ASI). « En utilisant l’IXPE – explique l’équipe d’astronomes à l’origine de la découverte – nous avons trouvé une polarisation linéaire élevée des rayons X, supérieure à 20 pourcents, qui ne peut être expliquée par aucun modèle applicable aux autres sources de ce type. Nous avons donc dû en développer un spécifiquement.”
Comme détaillé dans l’étude récemment publiée dans Nature Astronomy, les chercheurs ont en effet dû mettre au point un modèle spécifique, basé sur l’hypothèse que ce que nous voyons n’est pas le rayonnement émis directement, mais celui qui nous parvient après avoir été réfléchi. Cela a conduit les chercheurs à penser que l’émission est amplifiée par la matière entourant l’objet compact : une partie du gaz attiré par l’objet compact de l’étoile compagne ne serait pas capturée mais produirait un écoulement autour de l’objet lui-même.
“Nous avons découvert que l’objet compact est entouré d’une enveloppe de matière dense et opaque” – a déclaré Alexandra Veledina, chercheuse à l’Université de Turku (Finlande) et auteure principale de l’étude – . La luminosité élevée que nous observons est le reflet du rayonnement par les parois internes de cette enveloppe, similaire à un entonnoir avec l’intérieur en miroir”.
Cette découverte a conduit à la classification de Cygnus X-3 comme une source de rayons X ultra-lumineuse (Ulx). « Les Ulx sont généralement observées comme des points lumineux dans les images des galaxies lointaines – a précisé Juri Poutanen de l’Université de Turku et coauteur de l’étude – . Leurs émissions sont amplifiées par l’entonnoir entourant l’objet compact. Cependant, en raison des énormes distances de ces sources, elles apparaissent relativement faibles aux télescopes à rayons X. Notre découverte a maintenant révélé un équivalent extrêmement lumineux de ces Ulx lointaines également au sein de notre galaxie”.
La possibilité d’observer ce type de sources également dans la Voie Lactée fera progresser notre compréhension de ces systèmes. « D’ailleurs, la matière dense et opaque (comme celle qui cause l’amplification des rayons X de Cygnus X-3, ndlr) n’a été observée jusqu’à présent que dans les trous noirs supermassifs, qui ont des masses des millions de fois plus grandes – a souligné Andrea Marinucci, chercheur à l’ASI et coauteur de l’étude – . Cela rend l’observation d’IXPE de Cygnus X-3 vraiment unique, car elle met en relation des objets compacts de quelques masses solaires avec ceux plus massifs au centre de galaxies lointaines comme Circinus et Ngc 1068”.