Pulsars: laboratoires cosmiques pour la science extrême

Publié par Debarati Chatterjee, le 30 mars 2019   100

Qu'est-ce qui va se passer si on comprime tout la lune dans un cuillère à café? Et si un tel objet existait déjà dans la nature? Alors, quels sont ces objets intrigants et comment sont-ils formés? Continuez à lire pour le découvrir..

Fig:  l'illustration d'un artiste de la supernova de Cassiopeia A avec un pulsar (NASA) 

Le conte de la supernova 

L'étoile le plus proche de nous c'est le soleil. Un ballon de hydrogène, le soleil est une étoile comparativement légère. Comme une montgolfière, il brûle de l'hydrogène pour soutenir sa forme contre son propre poids. La seule différence c'est que dans le soleil, le carburant hydrogène est brûlé par des processus nucléaires. Lorsque le carburant au cœur est épuisé, il se dégonfle comme un ballon et s’effondre sur lui-même. 

Par contre, ce mécanisme devient beaucoup plus intéressant chez les étoiles huit bis dix fois plus massives que le soleil. Ces étoiles brûlent le carburant en produisant les éléments plus en plus lourd dans une réaction en chaîne, ce qui donne une structure à l'intérieur en couches qui ressemble à un oignon. L'hydrogène brûle produisant de l'hélium, qui produit de l'oxygène et, de la même manière, du carbone, du silicium jusqu'à ce que le fer, l'élément le plus lié, se forme dans le coeur. Ce processus s’arrête car le fer ne brûle plus produire de l’énergie, et l’étoile manque alors de combustible. Les couches externes s'effondrent vers le centre, jusqu'à la densité au centre est aussi élevée qu'au centre des noyaux terrestres. Cela conduit à un rebond, éjectant finalement les couches dans l'espace interstellaire lors d'un événement cataclysmique qui s'appelle supernova. Le coeur nucléaire résultant s'appelle une étoile à neutrons, car il contient principalement des neutrons, les particules subatomiques neutres qui constituent des atomes. Ainsi, les étoiles à neutrons sont des astres compacts qui contient de la matière immensément dense, ce qu'on obtient en comprimant la masse du soleil dans un diamètre de quelques dizaines de kilomètres.

Fig: Butterfly supernova (NASA)

Les laboratoires dans espace

Alors, qu'est-ce qu'on peut prédire sur les propriétés d’un objet aussi exotique? Franchement, rien! Notre connaissance de la physique actuelle se limite aux expériences nucléaires qui pourrait être réalisé en laboratoire. Une telle matière ne peut être trouvée que dans la croûte (couches externes) d'une étoile à neutrons. Mais à mesure que on s'approche de l'intérieur, la matière devient de plus en plus dense et on ne sait essentiellement rien de ce matière exotique. La seule possibilité est de comparer avec la matière dense et chaude produite lors des expériences de collision d'ions lourds dans les grands accélérateurs. Mais la température des particules à l'intérieur des étoiles à neutrons est basse comparée à leurs énergies, les propriétés de cette matière froide et dense pourraient donc être totalement différentes.

Fig: l'image est un composite de différentes fréquences de l'astronomie (NASA)

Une ère d'astronomie multi-messagers

La seule possibilité d'en savoir plus sur ces objets mystérieux est de retourner vers des techniques théoriques. En construisant des modèles théoriques, les scientifiques tentent de faire un dessin en examinant des indices astronomiques, comme une scène de crime simulée lors des enquêtes policières. À l'aide de différents types de télescopes spatiaux et terrestres, les astronomes observent un large éventail de phénomènes astrophysiques impliquant des étoiles à neutrons de différentes longueurs d'onde, du visible à l'infrarouge, les ultraviolets, les rayons X, la radio ou les gamma. Comme des examens médicaux aux rayons X ou aux radiofréquences utilisés pour sonder l'intérieur du corps humain, les intérieurs en étoile à neutrons peuvent être sondés à l'aide de différents outils astronomiques. Très récemment, une nouvelle ère de l'astronomie a été évoquée avec la première détection des ondes gravitationnelles des étoiles à neutrons.

Alors que les étoiles à neutrons déforment la structure de l'espace-temps autour d'elles, des oscillations à l'intérieur des étoiles peuvent créer des perturbations dans l'espace-temps, en générant des ondes gravitationnelles. Ces ondes, détectées à l'aide de la nouvelle génération d'interféromètres, révèlent des faits inconnus sur leur intérieur. En coopération avec des observations sur d'autres longueurs d'onde, on peut alors récupérer des informations intéressantes sur le comportement de la matière à haute densité.

Fig: interféromètres à ondes gravitationnelles (LIGO/Virgo)

Ne seulement les densités ultra-élevées et la forte gravité, les étoiles à neutrons présentent une multitude de propriétés extrêmes, telles que la rotation rapide, la vitesse rapide, la température intérieure très basse, les champs magnétiques ultra-puissants et bien plus encore. En raison de leur fort champ magnétique, les étoiles à neutrons émettent un faisceau de particules chargées le long de leurs pôles, qui du fait de leur rotation, balayent la Terre comme un faisceau de phare. Les soi-disant pulsars ont été détectées pour la première fois il y a cinquante ans, grâce à une jeune étudiante au doctorat du nom de Jocelyn Bell à Cambridge. Bien que au début on a soupçonné, en raison de la nature très périodique des signaux, que ils sont d'origine extraterrestre, ensuite l'origine du rayonnement des pulsars a été réalisée.

Fig: Le champ magnétique d'un pulsar et le faisceau le long de ses axes (NASA/Goddard Space Flight Centre Conceptual Image Lab)

Avec les missions d'astronomie et les détecteurs d'ondes gravitationnelles prévus dans le futur proche, on attend un mer d'informations sur les étoiles à neutrons. Extraire le comportement de la matière soumise à des conditions extrêmes nous permet d’élargir nos horizons de la connaissance de la physique au-delà de notre imagination. Afin de s'aventurer au-delà des terres connus, la nature nous fournit des phénomènes intrigants que nous ne sommes toujours plus en plus curieux de comprendre.

Debarati Chatterjee