Les composants de l’Univers
Les étoiles
Les étoiles à neutrons
Les étoiles à neutrons sont des objets célestes extrêmement denses, formés en fin de vie d’étoiles massives. Ces reliques stellaires concentrent une masse comparable à celle du Soleil dans une sphère d’à peine une dizaine de kilomètres de diamètre.
Découverte historique
La découverte des étoiles à neutrons est intimement liée à celle des pulsars. En 1967, Jocelyn Bell Burnell, une étudiante en astronomie, détecta des signaux radio pulsés émis à intervalles très réguliers. Ces pulsations furent initialement appelées « petits hommes verts » en raison de leur régularité frappante. Mais il fut rapidement établi qu’elles étaient d’origine astrophysique. Antony Hewish, le directeur de thèse de Bell Burnell, reçut le prix Nobel de physique en 1974 pour cette découverte, bien que de nombreuses voix s’élèvent pour reconnaître la contribution majeure de Bell Burnell.
Origine des étoiles à neutrons
Les étoiles à neutrons se forment lors de l’explosion en supernova d’une étoile massive (voir la page « Les novæ et supernovæ »). Le cœur de l’étoile s’effondre sous l’effet de la gravité, jusqu’à ce que les particules soient tellement comprimées que les protons et les électrons fusionnent pour former des neutrons. Cette structure extrêmement dense est stabilisée par la pression de dégénérescence des neutrons, empêchant un effondrement total.
Principales caractéristiques
- Taille et masse: Les étoiles à neutrons ont un rayon d’environ 10 à 20 kilomètres, mais une masse comparable à celle du Soleil. Cette densité extrême fait d’elles les objets les plus denses connus après les trous noirs.
- Magnétisme: Les étoiles à neutrons possèdent les champs magnétiques les plus intenses de l’Univers, des milliards de fois plus forts que celui de la Terre.
- Rotation: Elles tournent sur elles-mêmes à des vitesses vertigineuses, pouvant effectuer plusieurs centaines de tours par seconde.
- Luminosité: Les étoiles à neutrons ne sont pas très lumineuses dans le domaine visible, mais elles émettent un rayonnement intense dans les domaines radio, X et gamma.
- Atmosphère: Certaines étoiles à neutrons possèdent une atmosphère très ténue, composée de particules élémentaires.
Types d’étoiles à neutrons
On distingue principalement deux types d’étoiles à neutrons : les pulsars et les magnétars.
Les pulsars
Pulsar (animation) – © NASA Goddard Space Flight Center
Pulsar – © Space.com
Les pulsars sont des étoiles à neutrons qui émettent des faisceaux de rayonnement électromagnétique le long de leur axe magnétique. Ces faisceaux balayent l’espace de manière régulière, à l’instar d’un phare cosmique, créant ainsi les pulsations caractéristiques observées depuis la Terre. La période de rotation des pulsars varie de quelques millisecondes à plusieurs secondes.
Suite à l’explosion en supernova, le champ magnétique de l’étoile d’origine est amplifié lors de la phase d’effondrement, créant ainsi un champ magnétique intense.
Le mécanisme exact de production des faisceaux de rayonnement n’est pas encore entièrement compris. Mais il est probablement lié à l’interaction entre le champ magnétique intense du pulsar et les particules chargées présentes dans son environnement. Ces particules sont accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière, émettant ainsi un rayonnement synchrotron.
On distingue plusieurs types de pulsars :
- Les pulsars millisecondes: Ce sont des pulsars qui tournent extrêmement rapidement, effectuant plusieurs centaines de tours par seconde. Ils sont généralement situés dans des systèmes binaires et ont été accélérés par l’accrétion de matière en provenance de leur étoile compagnon.
- Les pulsars X: Ces pulsars émettent principalement dans le domaine des rayons X. Ils sont souvent associés à des nébuleuses de « vent pulsar ». Ces dernières sont des régions de l’espace où des particules hautement énergétiques émises par le pulsar (principalement des électrons et des positrons), sont accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière par les champs magnétiques intenses de l’étoile à neutrons.
- Les pulsars radio: Ce sont les pulsars les plus courants, détectés principalement dans le domaine radio.
Les magnétars
Magnétar (vue d’artiste) – © NASA-JPL-Caltech
Magnétar SGR J1550-5418 – libération de rayons X visibles sous la forme d’un halo lumineux – © NASA-Swift-Columbia University
Les magnétars sont des étoiles à neutrons possédant les champs magnétiques les plus intenses de l’Univers. Ces champs magnétiques extrêmement puissants sont à l’origine des propriétés uniques de ces objets.
Les magnétars se forment probablement de la même manière que les pulsars, mais avec des conditions initiales légèrement différentes. Une hypothèse est que les magnétars naissent avec un champ magnétique extrêmement intense dès leur formation, ou que leur champ magnétique est amplifié par des processus dynamiques internes.
Les magnétars sont caractérisés par des émissions de rayons X et gamma très énergétiques, ainsi que par des sursauts gamma irréguliers et violents. Ces sursauts, d’une durée comprise entre moins d’une seconde et plusieurs minutes, peuvent libérer une quantité d’énergie comparable à celle émise par le Soleil en plusieurs dizaines de milliers d’années.
Les émissions des magnétars sont liées à la décroissance de leur champ magnétique. Cette décroissance entraîne une déformation de la croûte de l’étoile à neutrons, libérant ainsi une énorme quantité d’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique.
Les magnétars jouent un rôle important dans l’astrophysique, car ils peuvent influencer l’évolution des galaxies et la formation des étoiles. De plus, l’étude des magnétars permet de mieux comprendre les propriétés de la matière dans des conditions extrêmes.
Destin des étoiles à neutrons
Bien que les étoiles à neutrons soient considérées comme des objets extrêmement stables, leur destin à long terme reste un sujet de recherche active. Plusieurs scénarios sont envisagés :
- Un refroidissement lent: L’étoile à neutrons pourrait se refroidir lentement au cours de milliards d’années, en émettant de la chaleur sous forme de neutrinos. Elle finirait par devenir un objet extrêmement froid et sombre.
- L’accrétion de matière: Si l’étoile à neutrons se trouve dans un système binaire, elle peut accréter de la matière de son compagnon. Cette accrétion peut entraîner une augmentation de la masse de l’étoile à neutrons et éventuellement déclencher de nouvelles explosions thermonucléaires à sa surface.
- Un effondrement en trou noir: Si l’étoile à neutrons continue d’accréter de la matière, elle pourrait dépasser une masse limite, appelée masse de Tolman-Oppenheimer-Volkoff. Au-delà de cette limite, la pression de dégénérescence des neutrons ne serait plus suffisante pour contrebalancer la gravité, et l’étoile s’effondrerait en un trou noir.
Il est important de noter que ces scénarios sont encore très spéculatifs et que de nombreuses questions restent sans réponse.
Où en est la recherche ?
Les chercheurs étudient les étoiles à neutrons à l’aide de télescopes terrestres et spatiaux, observant leur rayonnement dans différents domaines électromagnétiques. Les missions spatiales telles que Fermi, Chandra et XMM-Newton ont permis de découvrir de nombreuses nouvelles étoiles à neutrons et d’en étudier les propriétés en détail. Les futurs observatoires spatiaux, comme LISA (Laser Interferometer Space Antenna) prévu par l’ESA en 2032, devraient permettre de détecter les ondes gravitationnelles émises par la fusion d’étoiles à neutrons.
Les recherches actuelles portent notamment sur :
- La nature de la matière à l’intérieur des étoiles à neutrons.
- Les mécanismes responsables de l’émission des pulsars.
- L’origine des champs magnétiques extrêmement intenses des magnétars.
- Le rôle des étoiles à neutrons dans les sursauts gamma.
Les scientifiques cherchent à comprendre les mécanismes physiques à l’œuvre dans ces étoiles, tels que la supraconductivité, la superfluidité et les effets de la Relativité Générale. Ils étudient également le rôle des étoiles à neutrons dans l’évolution des galaxies et la formation des éléments lourds.