Étoiles à neutrons, pulsars et magnétars
Quand une étoile de 8 à 10 masses solaires meurt, elle explose, formant ce que l’on appelle une SUPERNOVA. Plusieurs milliards de tonnes de plasma surchauffé sont expulsées dans l’espace à une fraction de la vitesse de la lumière. Une soupe d’énergie est libérée sous forme de lumière et de neutrinos, et une petite boule d'étrangeté quantique se forme au centre, composée presqu'entièrement de neutrons. Les propriétés de cette étoile à neutron sont parmi les plus bizarres de notre Univers.
Dans l'article précédent, nous avons laissé le cœur d'une étoile massive dans un sale état. Quelques millisecondes avant d’exploser en supernova, elle fusionnait encore du silicium en fer. Mais maintenant, elle s'écroule sous sa propre gravité. L'effondrement dure une fraction de seconde, mais il s'y passe beaucoup de choses. Dans les précédents articles, nous avons vu que dans le cas des étoiles les moins massives, le cœur se maintient grâce la pression de la dégénérescence des électrons. C’est la conséquence d'une règle de la mécanique quantique qui stipule que les électrons résistent fortement à être collés ensembles.
FORMATION D’UNE ÉTOILE À NEUTRONS
Mais si le cœur à une masse supérieure à 1,4 fois la masse du Soleil, même la dégénérescence d'électrons ne parvient pas à stopper l’effondrement. Protons, électrons et autres particules subatomiques entrent alors en collision et fusionnent en neutrons. Quand le cœur finit par mesurer environ 20 km de diamètre, l’ensemble devient une sphère composée essentiellement de neutrons avec quelques protons et électrons, et une croûte de matière normale mais fortement compressée. Quand cela se produit, un autre événement entre en jeu : la dégénérescence des neutrons. Les neutrons jouent dans l’étoile à neutrons, le même rôle quantique que les électrons dans les naines blanches. La pression quantique de dégénérescence bloque la contraction, car la résistance des neutrons à la pression est bien supérieure à celle des électrons. Lorsque le cœur de l'étoile a une masse de 2,8 fois celle du Soleil, l'effondrement est stoppé net. Cela génère une énorme onde de choc, composée d’un flot de particules subatomiques énergétiques appelés neutrinos, qui se propage vers l'extérieur, déchirant l'étoile. Ce qu'il reste du cœur est une ÉTOILE A NEUTRONS, l'un des objets les plus étranges de l'Univers.
Taille d'une étoile à neutrons comparée à l'île de Manhattan
Une telle étoile est extrêmement bizarre. Sa masse est supérieure à celle du Soleil, le tout concentré dans une sphère d'environ 20 km de diamètre. Arrêtons nous une seconde pour bien comprendre cela. Le Soleil a une masse de 300 000 fois celle de la Terre. Imaginez cette masse concentrée dans une sphère de la taille d'une petite ville. Trop abstrait ? Ok, voyez ça comme ça : vous êtes en majorité composé de vide. Chaque atome de votre corps a un noyau fait de neutrons et de protons, avec des électrons en orbite autour du noyau. Si vous pouviez agrandir un atome pour qu'il fasse 100 mètres de diamètre, le noyau aurait la taille d'une bille de un cm de diamètre. Imaginez tout l'espace vide entre le noyau et les électrons. Ça, c’est un atome normal. Mais dans une étoile à neutrons, tout cet espace est rempli de neutrons. Tout. Chaque espace d'une étoile à neutrons est rempli de matière, jusqu'à l'échelle d'un noyau atomique. Voilà ce qui donne aux étoiles à neutrons leurs incroyables propriétés.
PROPRIÉTÉS DES ÉTOILES A NEUTRONS
Voici maintenant quelques chiffres qui donnent le tournis. Alors respirez bien fort, et asseyez vous. Les étoiles à neutron sont extrêmement denses. Un centimètre cube de neutronium, la matière qui compose un étoile à neutron, a une masse de 400 millions de tonnes ! Imaginez quelques millions de voitures compressées jusqu'à qu'elles entrent dans la taille d’un dé à six faces. Voilà ce qu'est le neutronium. C'est tellement dense, qu’en comparaison, la matière normale paraît quasiment vide. Si vous le posez au sol, cela traverserait la Terre. Un objet d'une telle densité a une énorme attraction gravitationnelle. Si vous étiez sur la surface d'une étoile à neutron... vous seriez morts, immédiatement aplatis sous la forme d’une crêpe d’une épaisseur de quelques atomes. Et cela parce que la gravité à la surface d’une étoile à neutrons est 100 milliards de fois plus forte que celle de la Terre. Ici sur Terre, j'ai une masse de 70 kg . A la surface d’une étoile à neutrons, je pèserais 7 milliards de milliards de kg. Mais attendez ! Ce n'est pas tout !
Structure interne d'une étoile à neutrons
Dans notre vidéo sur les marées, nous avons vu que lorsque vous avez un objet en rotation et que vous le rapetissez, sa rotation s'accélère, comme le patineur sur glace qui rapproche ses bras le long du corps pour accélérer sa rotation. C’est ce que les physiciens appellent la conservation du moment cinétique. Cela s'applique aussi au cœur d'une étoile qui s'effondre en étoile à neutrons. Avant la supernova, l’étoile tournait sur elle-même en quelques semaines ou quelques années. Mais quand elle se retrouve à mesurer 20 km de diamètre, sa rotation s'accélère énormément. Une étoile à neutrons nouvellement créée peut effectuer plusieurs rotations par seconde !
Le champ magnétique augmente également. Une étoile comme le Soleil a une force magnétique pas si différente de celle de la Terre. Mais quand le cœur de l’étoile s'effondre, la force du champ magnétique augmente et une étoile à neutrons peut facilement avoir une champ magnétique plusieurs milliards de milliards de fois plus puissant que celui du Soleil. C'est assez puissant pour détruire votre Carte Bleue à des milliers de kilomètres de distance. Toutes ces propriétés sont hallucinantes. Mais elles sont vraies. Et est ce qu’un tel objet existe dans l’Univers ? Oh que oui !
LES PULSARS, DES ÉTOILES À NEUTRONS PARTICULIÈRES
La première étoile à neutron fut détectée en 1965, bien que non identifiée comme telle à l'époque. Quelques années plus tard, une autre fut découverte, et cette fois-ci bien identifiée en tant qu'étoile à neutrons. Puis les choses se sont compliquées. En 1967, l’astronome Jocelyn Bell n’est encore qu’une étudiante qui travaille à la construction d'un radiotélescope. Elle capta un bruit persistant dans ses données qu'elle ne pouvait pas supprimer. Bell l'étudia nuit après nuit, et compris que ce signal n'était pas un problème avec ses données, mais qu’il provenait d'un véritable objet astronomique. Elle venait de découvrir le premier PULSAR. Qu'est ce qu'un pulsar me direz vous ?
Jocelyn Bell, en 1967, devant le radiotélescope qui lui a permis de détecter le premier pulsar
Un pulsar est un type particulier d'étoiles à neutrons. La rotation extrêmement rapide de l’étoile couplé à un champ magnétique incroyablement puissant émet deux faisceaux d'énergie, comme les faisceaux d'un phare. Ces faisceaux suivent la rotation de l'étoile, et depuis la Terre nous captons un clignotement, un pic d'augmentation de luminosité périodique. Ce clignotement peut être détecté dans le spectre visible, les ondes radios et même les rayons X ! La chose la plus étonnante est l’incroyable régularité de la rotation d'une étoile à neutron. En 1967, personne ne croyait qu'un objet naturel puisse faire ça. C’est pourquoi le signal capté par Jocelyn Bell fût ironiquement nommé LGM-1 pour Little Green Men 1.
Aujourd’hui, nous connaissons plus de 1000 pulsars dans notre seule galaxie, et nous savons qu'ils sont le reste d'étoiles massives ayant explosées. Certains ont une rotation périodique de quelques secondes ou quelques minutes. Certains font partie d'un système binaire, c'est-à-dire que le système est composé de deux étoiles tournant l’une autour de l’autre. Le pulsar orbite donc autour d’une autre étoile “normale”. Si elles sont suffisamment proches l’une de l’autre, l'étoile à neutron peut se nourrir de la matière de l’étoile normale. Ce qui augmente sa rotation. Nous avons connaissance de certains pulsars ayant une rotation extrêmement rapide, qui tourne sur eux-même plusieurs milliers de fois par seconde ! On les appelle "pulsar millisecondes". S'ils tournaient plus vite, la force centrifuge les déchiraient malgré leur énorme gravité.
1000 ans après sa formation, un pulsar reste toujours aussi effrayant. C’est le cas du pulsar au centre de la nébuleuse du Crabe, les restes d'une étoile ayant explosé en l’an 1054. Une grande partie de la lumière émise par la nébuleuse provient du pulsar. Son énergie se propage à travers la nébuleuse, la rendant de plus en plus brillante.
LES MAGNÉTARS
Et je n'ai pas encore mentionné les magnétars. Les étoiles à neutrons sont plus qu'une étrange boule de neutrons. Elles ont une croûte de probablement quelques centimètres d'épaisseur, faite de matière plus ou moins normale fortement compressée, compactée en une sorte d'état cristallin très rigide. Le champ magnétique de l'étoile pénètre cette croûte cristalline et s'étend sur une grande distance. Chez certaines étoiles à neutrons, le champ magnétique est encore plus puissant qu'à l'accoutumée, et peut être un quadrillon (10 puissance 24) de fois plus puissant que celui du Soleil. Ces étoiles à neutrons surpuissantes sont appelées MAGNETARS. Elles sont relativement rares. On estime qu'environ 10% de toutes les étoiles à neutrons sont des magnétars. Elles ont une courte durée de vie. leur champ magnétique est si puissant qu'il agit comme les freins d'une voiture, ralentissant la rotation de l'étoile. Comme la rotation alimente le champ magnétique, le champ se réduit à mesure que l'étoile ralentit. Mais tant qu'elles sont en activité, les magnétars sont les objets les plus magnétiques de l'Univers.
Dans une étoile à neutrons, la croûte et les champs magnétiques sont liés, le changement de l'un affecte l'autre. La croûte est sous d'énormes pressions dû à l'intense gravité et la rotation rapide. Si la structure se brise, elle crée un tremblement d'étoile, comme un tremblement de terre, mais en beaucoup plus fort. Dans un tremblement de terre, d'énormes quantités d'énergie sont libérées quand la croûte terrestre glisse et rompt. Cette énergie peut détruire des bâtiments et déplacer des montagnes. Mais dans une étoile à neutron, cet effet est multiplié. Rappelez vous, la croûte est extrêmement dense et la gravité énorme. Si la croûte se plie et rompt, bougeant d'un seul centimètre, l'énergie libérée est inimaginable. Cela fait trembler le champ magnétique, qui réagit plutôt négativement. Quand le champ magnétique du Soleil s’énerve, nous obtenons une éruption solaire qui dégage la puissance d'un milliard de bombes atomiques. Une éruption de magnétar rend cela insignifiant en comparaison. Elle peut être un milliard de milliard de fois plus puissant qu'une éruption solaire. En une fraction de secondes, un magnétar peut libérer autant d'énergie que le Soleil en 250 000 ans !
Vue d'artiste d'un magnétar
En 2004, les astronomes furent surpris par une énorme vague de rayons X s'abattant sur les satellites. L'un de ces satellites, appelé Swift, a eu ses détecteurs saturés de rayons X alors qu'il ne pointait vers aucune source à ce moment-là ! Les rayons X sont arrivés sur le côté du satellite avec une telle intensité, que Swift, qui a pourtant été conçu pour détecter de puissantes sources de rayons X, a été momentanément aveuglé. La source de ce flash de rayons X à rapidement été identifié, un magnétar nommé SGR-1806-20. Et ses effets furent incroyables : il a compressé le champ magnétique terrestre et partiellement ionisé la partie supérieure de l'atmosphère terrestre, alors que ce magnétar se situe à 50 000 années lumières ! C'est la moitié du diamètre de notre galaxie. C'est incroyable ! A une telle distance, ses effets furent ressentis plus fortement qu'une éruption venant du Soleil ! La bonne nouvelle est qu'il y a peu de magnétars dans notre galaxie, probablement moins d'une douzaine. Des éruptions de magnétars comme celle de 2004 sont rares. Aucune ne fut détectée au cours des 40 dernières années, à l'exception de celle de 2004.
Depuis leur découvertes, nous avons fait du chemin pour comprendre les étoiles à neutrons. Mais il y a encore beaucoup à apprendre à leur sujet. Chaque nouvelle découverte d'étoile nous montre qu'elles sont encore plus bizarres que nous le pensions. Malgré tout, ce n'est pas la chose la plus étrange de l'Univers. Loin de la ... Cette place est fermement tenue pas un autre type d'objet créé par une supernova : un trou noir. Nous aborderons cela dans le prochain article.
A RETENIR :
Une étoile de 8 à 20 fois la masse du Soleil explose en supernova. Son cœur s'effondre pour former une étoile à neutron.
Les étoiles à neutrons sont incroyablement denses, elles ont une rotation rapide, ainsi que de puissants champs magnétiques.
Certaines sont des pulsars, si elles émettent des faisceaux de lumière dans le visible ou les rayons X.
Les étoiles à neutrons qui ont de puissants champs magnétiques sont des magnétars. Elles sont capables de libérer de colossaux flashs d'énergie qui peuvent être détectés sur de très grandes distances.
BIBLIOGRAPHIE
Cours du Diplôme Universitaire d'astronomie (2004)
Astronomie et astrophysique, Séguin et Villeneuve, 2e édition, Ed : De Boeck Université (2002)
L'astronomie au féminin, Yaël Nazé, CNRS Editions (2014)