Cette vision d'artiste représente une étoile à neutrons arrachant, par ses forces de marée, les couches superficielles d'une étoile de faible masse. Ces étoiles binaires sont appelées des black widows (veuves noires en anglais) quand elles contiennent des pulsars millisecondes. © Nasa

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La chasse aux pulsars millisecondes relancée de plus belle !

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Laurent Sacco, Futura-Sciences

Les étoiles à neutrons sont des laboratoires pour la physique relativiste et la physique des particules. Elles sont détectées sous forme de pulsars millisecondes (c'est-à-dire des pulsars dont la période de rotation se situe entre 1 et 10 millisecondes) puis étudiées sur Terre avec des radiotélescopes. Des chercheurs viennent de confirmer qu'il est également possible de les observer depuis l'espace, dans le domaine gamma, grâce à des satellites comme Fermi.

Les pulsars sont des objets fascinants que les astrophysiciens étudient depuis leur découverte en 1967 par Jocelyn Bell. Ils sont en fait étudiés théoriquement depuis plus longtemps que cela puisqu'il s'agit d'étoiles à neutrons (on le sait en effet depuis 1971 et les travaux du prix Nobel de physique Riccardo Giacconi) et que l'existence de celles-ci a été prédite en 1933 par Zwicky et Baade. La première description théorique détaillée des étoiles à neutrons a ensuite été donnée en 1939 par Oppenheimer et Volkkoff.

Point final de l'évolution de certaines étoiles qui ont explosé en supernova SN I tout en s'effondrant gravitationnellement, les étoiles à neutrons, dont la masse est de l'ordre de celle du Soleil, possèdent un diamètre de quelques dizaines de kilomètres tout au plus et ressemblent à un gigantesque noyau d'atome. La densité, le champ de gravitation et le champ magnétique y sont donc extrêmes et presque toute la physique est nécessaire pour comprendre les propriétés d'une étoile à neutrons : la relativité générale bien sûr mais aussi la magnétohydrodynamique, la théorie de la superfluidité et celle de la supraconductivité.

Comme leur nom l'indique, les pulsars émettent des ondes radio à un rythme rapide et régulier. Pour comprendre la raison de ce phénomène il faut savoir que toutes les étoiles tournent sur elles-mêmes. Or, de même qu'une patineuse voit sa vitesse de rotation accélérer lorsqu'elle rassemble ses bras vers son corps, une étoile en effondrement voit sa vitesse de rotation augmenter. C'est une conséquence de la conservation du moment cinétique, l'une des lois les plus fondamentales de la physique. Ainsi, une étoile possède un champ magnétique qui doit s'amplifier par conservation du flux lorsqu'elle se contracte. Juste après sa formation, le cœur chaud et dense d'une étoile devenue une étoile à neutrons doit donc tourner assez rapidement. Un mécanisme s'enclenche, lié au champ magnétique, qui conduit l'astre à rayonner puissamment en émettant un faisceau d'ondes radio collimatées à la façon d'un phare. Lorsque ce faisceau coupe l'orbite de la Terre, il se manifeste dans un radiotélescope comme une série régulière de bips.

Extrait du documentaire Du Big Bang au vivant, associé au site du même nom, un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Jean-Pierre Luminet parle de la mort des étoiles massives, leur explosion en supernova et la formation de pulsars. © ECP Productions, YouTube

L'énigme des pulsars millisecondes

La grande majorité des pulsars possède une période de rotation comprise entre 0,1 et 10 secondes. En perdant de l'énergie cinétique de rotation par l'intermédiaire du flux d'ondes radio, ils ralentissent lentement et, en une dizaine de millions d'années tout au plus, leur vitesse de rotation devient trop faible pour générer une émission radio.

Or, en 1982, des astronomes ont découvert, dans la constellation du Petit Renard, le pulsar PSR B1937+21 tournant à la vitesse folle de 642 tours par seconde. Une telle vitesse impliquait un âge de formation jeune, moins d'un millier d'années. On aurait donc dû observer la nébuleuse laissée par une supernova, ce qui n'était pas le cas.

Dans les années qui ont suivi, ce record a été battu plusieurs fois, inaugurant une nouvelle famille, celle des « pulsars millisecondes » (ou PMS), c'est-à-dire des pulsars dont la période de rotation se situe entre 1 et 10 millisecondes. Sur le plan théorique, il ne semble pas possible qu'il existe des pulsars dont la vitesse de rotation dépasse les 1.500 tours par seconde. En effet, malgré leur champ de gravitation extraordinairement intense, la force centrifuge induite par une telle vitesse mettrait en pièces l'étoile à neutrons. Une seconde limite existe. À partir de 1.000 tours par seconde, ce sont les ondes gravitationnelles de la relativité générale qui doivent ralentir fortement et rapidement le pulsar en transportant son énergie cinétique de rotation.

Plus d'une centaine de pulsars millisecondes sont connus aujourd'hui et leur vitesse de rotation est de l'ordre de 300 tours par seconde. À nouveau, et pour chacun d'eux, un âge de formation très jeune semble contradictoire avec l'absence de nébuleuse.

Cette carte montre les émissions dans le domaine des rayons gamma dans la Voie lactée telles que les observe le satellite Fermi. Ces émissions sont intenses dans le disque de notre galaxie. On voit aussi plusieurs pulsars qui ont été détectés en association avec ces émissions de rayons gamma. © Nasa, Fermi LAT Collaboration

L'énigme de leur existence a été résolue en postulant qu'il s'agissait de vieilles étoiles à neutrons dans une étoile binaire qui, depuis quelques millions d'années, accrétaient de la matière en provenance d'une étoile compagne dont les couches supérieures se seraient dilatées au point de franchir le lobe de Roche du système. En tombant en spirale en direction de l'étoile à neutrons, le gaz arraché opérerait un transfert de moment cinétique accélérant l'étoile. Retrouvant une nouvelle jeunesse, elle deviendrait à nouveau un pulsar.

Des laboratoires pour les théories de la gravitation

Les pulsars millisecondes sont des sortes d'horloges régulières très stables dont la précision rivalise avec celle des horloges atomiques. Des irrégularités dans leurs impulsions radio trahissent donc des phénomènes difficiles à mettre en évidence. De fait, le pulsar milliseconde PSR B1257 + 12 a permis de découvrir la première exoplanète connue, avant celle mis en évidence en 1995 par Mayor et Queloz autour d'une étoile de la séquence principale. Ils constituent même des sondes si sensibles qu'il est possible de repérer autour d'eux des corps célestes dont la masse est comparable à celles des astéroïdes et de la Lune. Les pulsars millisecondes permettent également de poser des contraintes sur les théories relativistes de la gravitation autres que celle d'Einstein.

Comme les pulsars sont aussi des laboratoires pour la physique nucléaire et des particules, les astrophysiciens les traquent dans la Voie lactée. Ils savent qu'ils peuvent les découvrir avec des radiotélescopes mais encore faut-il que le flux d'ondes radio qu'ils émettent interceptent la Terre. C'est pourquoi les chercheurs tentent aussi de les détecter avec des émissions d'ondes moins collimatées. On sait que c'est possible au moyen de l'astronomie gamma.

Un groupe de chercheurs vient d'ailleurs de confirmer à nouveau qu'il était possible d'utiliser le télescope Fermi en montrant, à l'aide du télescope d'Arecibo, que des sources gamma étaient bel et bien des pulsars, en l'occurrence des pulsars millisecondes, comme les astrophysiciens l'expliquent dans un article en accès libre sur arXiv.

On connaît surtout ces pulsars dans les amas globulaires mais il semble maintenant que Fermi soit un bon instrument pour découvrir des PMS dans le disque galactique. Six nouveaux pulsars millisecondes ont ainsi été ajoutés au tableau de chasse de Fermi qui en compte une cinquantaine. Un de ces pulsars est relativement classique et forme un couple avec une naine blanche relativement éloignée. Trois sont typiquement ce que l'on a appelé des black widows (veuves noires en anglais) et deux des redbacks. Dans les deux cas, les noms font référence à des araignées (australiennes dans le second cas) qui dévorent leurs mâles.

En l'occurrence, ces dénominations s'expliquent parce que les pulsars sont particulièrement proches d'étoiles normales de faibles masses (0,1 masse solaire) avec lesquelles elles forment un système binaire. Les pulsars ont en fait arraché beaucoup de matière à ces étoiles dans le cas des black widows alors que cette matière est soufflée par les particules émises par les étoiles à neutrons dans le cas des redbacks. En fait, presque tous les black widows et redbacks de la Voie lactée ont été découverts par Fermi qui a également débusqué environ 30 % de tous les PMS connus dans le disque galactique.

Les sons de l'espace  Les sons de l’espace : ce sujet du magazine Space (sur Euronews) fait entendre une symphonie de – vrais – pulsars puis une adaptation (Sun Rings) par le Kronos Quartet et interroge des astronautes sur les musiques qu’ils emportent « là-haut ». 

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