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Chandra débusque une population de magnétars exotiques

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Les astrophysiciens sont intrigués par le magnétar SGR 0418 depuis des années. Des mesures précises viennent de confirmer qu'il possède un champ magnétique anormal. Cet astre compact serait en quelque sorte la pointe émergée d'un iceberg constitué d'une population d'étoiles à neutrons assez exotiques dans la Voie lactée.

Une image d'artiste de l'étoile à neutrons SGR 0418+5729, avec ses lignes de champs magnétiques. Elle a été découverte le 5 juin 2009, lorsque le télescope spatial Fermi a détecté des bouffées de rayons gamma en provenance de cet objet. Quatre jours plus tard le Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) détectait des émissions de rayons X sporadiques en provenance de cette étoile à neutrons. Elles étaient accompagnées d'une émission continue de rayons X avec pulsations régulières, indiquant que l'étoile était en rotation avec une période de 9,1 secondes. Le RXTE a observé cette activité pendant une centaine de jours. Ce comportement est similaire à celui d'une classe d'étoiles à neutrons appelées magnétars. © Nasa

Cela ne fait guère plus de 40 ans que l'existence des étoiles à neutrons a été admise par la communauté des astrophysiciens. Pourtant, l'idée est ancienne et l'on peut presque dire qu'elle est aussi vieille que la découverte du neutron par Chadwick en 1932. Très peu de temps après, Walter Baade et Fritz Zwicky commencèrent en effet à étudier de telles étoiles composées de neutrons, avant de faire le lien avec les supernovae.


Dans cette vidéo extraite du documentaire Du Big bang au Vivant, Jean-Pierre Luminet parle de la mort des étoiles massives, leur explosion en supernova et la formation de pulsars. © ECP Productions, Jean-Pierre Luminet, YouTube

À l'époque, les travaux des deux chercheurs ne sont pas pris au sérieux, sauf par deux physiciens et pas des moindres. Il y a d'abord le futur prix Nobel de physiqueLev Landau, qui propose en 1938 une théorie sur la production d'énergie à l'intérieur des étoiles. Elle postule l'existence de cœurs de neutrons, libérant de l'énergie par désintégration radioactive.

La difficile acceptation de l'existence des étoiles à neutrons

Conscient du génie de Landau, Robert Oppenheimer entreprend alors d'utiliser les équations de Richard Tolman sur des sphères de fluides en relativité générale, pour explorer la physique de ces cœurs de neutrons. Avec son étudiant Georges Volkoff, il effectue en 1939 les premiers véritables calculs sur le concept moderne d'étoiles à neutrons. Avec un autre étudiant, Hartland Snyder, Oppenheimer analysera ce qu'il advient de tels objets lorsqu'ils s'effondrent gravitationnellement, jetant au passage la base de la théorie des trous noirs. Deux articles sortiront de ces collaborations : On Massive Neutron Cores, avec Georges Volkoff, et On Continued Gravitational Contraction, avec Hartland Snyder.

Mais il faudra attendre la découverte des pulsars en 1967 pour que ces astres extraordinaires que sont les étoiles à neutrons soient vraiment admis par la communauté des astrophysiciens. Aujourd'hui, plus de 1.800 pulsars sont connus dans notre galaxie.

Une vue d'artiste d'une étoile à neutrons. Les lignes de champs magnétiques sont complexes à l'intérieur de cet astre compact, chaud et hyperdense, pouvant peser autant que le Soleil mais occupant le volume d'une montagne. © Nasa

Des pulsars aux magnétars

Les pulsars possèdent un champ magnétique d'une très grande intensité. Ce champ magnétique provient initialement de l'étoile qui s'est effondrée pour former une étoile à neutrons. Le flux du champ magnétique à travers la surface de l'étoile doit se conserver, et il est proportionnel à l'intensité de ce champ. Dans le cas d'une étoile de la masse du Soleil s'effondrant pour donner une étoile à neutrons, on passe d'un astre dont le diamètre est d'environ un million de kilomètres à un astre dont le diamètre est de quelques dizaines de kilomètres. Sa surface étant formidablement réduite, une augmentation tout aussi importante de son champ magnétique doit en résulter.

Mais dans le cas de certaines étoiles à neutrons, l'effet dynamo bien connu dans le cas de la Terre, peut augmenter des dizaines voire des milliers de fois l'intensité du champ magnétique. On obtient ce qu'on appelle des magnétars. Théorisé par Robert Duncan et Christopher Thompson qui postulèrent son existence en 1992, le champ magnétique associé à ces étoiles dépasse 1011 teslas, une valeur colossale. À titre de comparaison, le champ terrestre, lui, n'atteint environ que 50 microteslas. En rotation rapide, les magnétars émettent un flux intense de rayons X et gamma, parfois avec des bouffées, mais l'énergie stockée dans leur champ magnétique s'épuise à peu près en 10.000 ans, et le rayonnement X s'éteint.

Une anomalie dans une famille d'étoiles anormales

C'est donc avec surprise que les astrophysiciens ont décrypté les observations concernant SGR 0418+5729 (appelé aussi SGR 0418). Comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arxiv, les chercheurs ont surveillé pendant trois ans l'activité de ce magnétar grâce à Chandra, ainsi que d'autres satellites équipés d'instruments effectuant des mesures dans le domaine des rayons X (XMM-Newton, Swift et RXTE). Cela leur a permis de réaliser des mesures précises de l'intensité de son champ magnétique à l'occasion des éruptions génératrices de rayons X, modifiant sa vitesse de rotation.

Le magnétar SGR 0418 est une étoile à neutrons située à environ 6.500 années-lumière du Soleil, dans la constellation de la Girafe. On le voit brillant en rayons X au centre du cercle sur cette image composite, montrant d'autres astres dans le visible et l'infrarouge. © Nasa

Or, l'intensité du champ magnétique du magnétar SGR 0418 est seulement celle d'un pulsar moyen, ce qui signifie qu'il est ancien. En modélisant l'évolution du refroidissement de l'étoile à neutrons et de sa croûte, ainsi que le déclin progressif de son champ magnétique, les chercheurs ont estimé que SGR 0418 est âgé d'environ 550.000 ans. Cela fait de lui l'un des plus vieux magnétars connus.

Cette découverte laisse penser que les étoiles à neutrons sont plus diversifiées qu'on ne le croyait, et qu'une population de magnétars comme SGR 0418 doit exister dans la Voie lactée. Selon l'un des auteurs de cette découverte, Nanda Rea de l'institut des Sciences spatiales à Barcelone : « L'existence de SGR 0418 a des conséquences importantes sur la façon dont nous pensons que les étoiles à neutrons évoluent dans le temps, et pour notre compréhension des explosions de supernovae ».

En effet, elle impliquerait par exemple que le champ magnétique de ces vieux magnétars était en fait beaucoup plus intense que ce que l'on croyait possible lors de leur formation, ce qui pourrait aussi être le cas des étoiles massives leur ayant donné naissance.

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