Les magnétars sont des étoiles à neutrons, c'est-à-dire des astres pouvant concentrer la masse du Soleil dans le volume d'une sphère de la taille d'une grande ville. On ne savait pas pourquoi ils possèdent un champ magnétique aussi monstrueux que 100 000 milliards de fois plus intense que celui de la Terre, mais cela vient peut-être de changer en étudiant une étoile d'hélium exotique.
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C'est seulement en 1932 que le physicienphysicien britannique James Chadwick a fait la découverte du neutron. À sa suite, Werner Heisenberg, l'un des découvreurs de la mécanique quantique, propose et développe le modèle nucléaire moderne des atomes composé de neutrons et de protons. En 1934, c'est au tour du physicien italien Enrico FermiEnrico Fermi de faire avancer notre compréhension des noyaux en proposant une théorie de la radioactivité bêtabêta reprenant l’existence de la particule proposée en 1930 par Wolfgang Pauli, autre grand nom de la théorie quantique, pour sauver la loi de la conservation de l'énergieénergie dans certaines réactions nucléairesréactions nucléaires.
Selon la théorie de Fermi, quand un neutron se désintègre par radioactivité bêta en se transformant en proton, non seulement un électronélectron est émis mais aussi un neutrinoneutrino, plus exactement son antiparticuleantiparticule. On pouvait aussi en déduire un processus inverse avec un proton se combinant avec un électron pour donner un neutron et un neutrino.
L'année 1934, c'est aussi celle où les astrophysiciensastrophysiciens états-uniens Fritz Zwicky et Walter Baade comprennent que les supernovaesupernovae de type II sont de gigantesques explosions d'étoilesétoiles qui s'effondrent gravitationnellement en utilisant le phénomène décrit par la théorie de Fermi pour donner des étoiles à neutronsétoiles à neutrons.
Qu'est-ce qu'une étoile à neutrons ? Quelle différence entre ces étoiles et notre Soleil ? Roland Lehoucq, astrophysicien au CEA, nous explique que les étoiles à neutrons rayonnent très peu en lumière visible, contrairement à notre Soleil. Aussi, les étoiles à neutrons ont des tailles beaucoup plus petites que celle du Soleil : une étoile à neutrons a un diamètre compris entre 10 et 15 km, contre 1,4 million de km pour le Soleil. Ce sont également des objets compacts qui contiennent une quantité importante de matière dans un volume très petit. Étudier ces étoiles permet de tester à une échelle différente les théories de physique nucléaire. Une vidéo co-réalisée avec L'Esprit Sorcier. © CEA Recherche
Des étoiles à neutrons créées par des supernovae
En 1939, Robert Oppenheimer va étudier théoriquement cette hypothèse de plus près avec son thésard canadien d'origine russe George Volkoff. Les deux hommes vont alors donner la première description théorique détaillée de la formation des étoiles à neutrons. Mais il va falloir attendre 1967 pour que Jocelyn Bell fasse leur découverte sous la forme d'un pulsar.
Encore plus tard, la saga des étoiles à neutrons va voir s'ouvrir un nouveau chapitre avec la découverte des magnétarsmagnétars, des étoiles à neutrons avec un champ magnétiquechamp magnétique d'une très grande intensité, dépassant celui déjà exotiqueexotique des étoiles à neutrons classiques.
Depuis, les astrophysiciens tentent de comprendre l'origine des magnétars et une piste fascinante vient de s'ouvrir grâce à des chercheurs ayant plusieurs télescopestélescopes dans le monde, dont ceux de l'Observatoire européen austral (ESOESO). Comme l'explique une publication dans Science, les astrophysiciens ont fait la découverte d'une étoile massive à héliumhélium déjà dotée d'un fort champ magnétique, champ magnétique qui ne peut qu'être amplifié par l'effondrementeffondrement du cœur de cette étoile à l'occasion de son explosion en supernova.
L’explosion des étoiles très massives en supernovae gravitationnelles enrichit le milieu interstellaire avec les éléments chimiques synthétisés par fusion nucléaire, tout en donnant naissance à une étoile à neutrons ou à un trou noir par effondrement du cœur de l’étoile. La transition entre l’effondrement du cœur et l’expulsion de l’enveloppe stellaire est un défi pour la compréhension théorique des supernovae. Une expérience hydraulique conçue et réalisée au CEA a permis de reproduire par analogie un des phénomènes d’instabilité hydrodynamique qui facilite l’explosion. Cette approche expérimentale est complémentaire des simulations numériques. Découvrez cette expérience en animation. Ce film d’animation a été produit et co-financé par le CEA et l’ERC, et réalisé par le Studio Animéa. Conception scientifique et technique : T. Foglizzo, J. Guilet, G. Durand (CEA). © CEA Recherche
Un champ magnétique de 100 000 milliards de gauss
Il existe en effet une loi (déduite des équations de Maxwelléquations de Maxwell, voir à ce sujet le cours de Feynman), celle de la conservation du flux magnétique, qui implique que le produit de la surface d'une étoile par l'intensité des champs magnétiques le long des lignes de champs traversant cette surface est constant. Si la surface de l'étoile diminue par effondrement, les champs magnétiques qui sortent de cette surface doivent donc devenir plus intenses.
Un communiqué de l'ESO, accompagnant cette découverte, explique que ce n'est rien de moins que la découverte d'un nouveau type d'objet astronomique - les étoiles magnétiques massives à hélium - qui semble bel et bien s'être produit. De façon étonnante, on connaissait et on observait ce premier exemple depuis un siècle déjà, il était devant notre neznez mais on n'avait pas encore compris la nature de l'étoile HD 45166 située à environ 3 000 années-lumièreannées-lumière du Système solaireSystème solaire, dans la constellation de la Licorneconstellation de la Licorne.
C'est Tomer Shenar, astronomeastronome à l'université d'Amsterdam, aux Pays-Bas, qui a le premier commencé à penser que les comportements parfois déroutants de cette étoile environ deux fois plus massive que le SoleilSoleil, et faisant partie d'une étoile double, pourrait peut-être s'expliquer si elle possédait un champ magnétique bien plus intense que ce que l'on pensait jusqu'à présent. Avec des collègues, comme Gregg Wade, spécialiste des champs magnétiques des étoiles au Royal Military College of Canada, il a voulu en avoir le cœur net en utilisant des mesures fournies par le télescope Canada-France-Hawaï et des données d'archives obtenues avec l'instrument Feros (Fiber-fed Extended Range Optical Spectrograph) à l'observatoire de La Silla de l'ESO au Chili.
Il s'est avéré que HD 45166 est l'étoile massive la plus magnétique découverte à ce jour avec un champ magnétique moyen dont l'intensité est de 43 000 gauss. À titre de comparaison, la valeur moyenne du champ magnétique terrestrechamp magnétique terrestre est d'environ 0,5 gauss.
Les calculs montrent alors qu'en s'effondrant en étoile à neutrons, cette intensité du champ magnétique passerait à 100 000 milliards de gauss, précisément l'ordre de grandeurordre de grandeur du champ d'un magnétar.
À l'aide de plusieurs télescopes dans le monde, dont les installations de l'Observatoire européen austral (ESO), des chercheurs ont découvert une étoile vivante susceptible de devenir un magnétar, une étoile morte ultra-magnétique. Cette vidéo résume la découverte. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». ©
Un cœur d'hélium de type Wolf-Rayet
HD 45166 se comporte comme le cœur principalement en hélium d'une étoile bien plus massive dont l'enveloppe aurait été arrachée. Mais plusieurs arguments s'opposent à cette explication. Il semble probable que l'étoile soit le résultat de l'évolution par fusionfusion complexe de deux étoiles standards initialement plus massives. On peut montrer que l'on obtient alors l'étoile de type Wolf-Rayet observée et que cela explique la formation de son champ magnétique intense. Normalement, une étoile de WR contient plusieurs dizaines de massesmasses solaires et seules des étoiles ordinaires possédant de 8 à 10 masses solaires au moins peuvent devenir des étoiles à neutrons, mais l'évolution et la structure stellaire sont différentes et non standards pour cette étoile d'hélium de seulement 2 masses solaires environ.
