Une vue d'artiste d'un magnétar avec ses lignes de champ magnétique effectuant une éruption. Un FRB ? © Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
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Magnétar : le VLBA sur la piste de l'énigme des sursauts radio rapides

ActualitéClassé sous :Astronomie , magnetar , Etoile à Neutrons

La méthode de la parallaxe est une méthode géométrique simple permettant d'évaluer la distance des astres. On vient de l'utiliser avec des radiotélescopes pour mesurer pour la première fois directement la distance d'un magnétar. En multipliant ce genre de mesure, on pourrait découvrir que les sursauts radios rapides sont en fait des colères particulières des magnétars.

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[EN VIDÉO] Interview : qu’est-ce qu’une étoile de Planck ?  La relativité générale bute sur le Big Bang et les trous noirs, qui sont des « singularités ». Et si les trous noirs, à force de se contracter, pouvaient rebondir ? Et si notre univers était né de cette manière ? C'est l'hypothèse des « étoiles de Planck », que nous explique Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples. 

Les étoiles à neutrons sont des résidus d'explosion d'étoiles en supernova qui ne peuvent guère contenir que quelques masses solaires mais dont le diamètre est de quelques dizaines de kilomètres seulement. La saga, à leur sujet, a commencé au cours des années 1930 et se poursuit aujourd'hui depuis les années 1990 avec l'étude des magnétars, des étoiles à neutrons avec un champ magnétique prodigieux comme Futura l'expliquait dans le précèdent article ci-dessous. Entre ces deux décennies, les objets théoriques qu'étaient les étoiles à neutrons à leur début sont devenus des sujets d'observations, d'abord avec des radiotélescopes pour la première fois, en 1967, grâce à Jocelyn Bell, puis les rayons X et maintenant, les ondes gravitationnelles à l'occasion de collisions d’étoiles à neutrons donnant des kilonovae.

Au début de leur découverte, les étoiles à neutrons ont très temporairement donné des frissons aux astrophysiciens et astronomes intéressés par le programme Seti car c'est sous forme de pulsars, c'est-à-dire de sources d'émissions périodiques d'ondes radios, qu'ils ont été débusqués par Jocelyn Bell alors en thèse. On pouvait penser qu'il s'agissait de signaux artificiels d'une civilisation extraterrestre mais, comme l'explique Jocelyn Bell dans la vidéo ci-dessous, cette hypothèse a été rapidement réfutée car on ne voyait aucun décalage Doppler.

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

Les FRB, l'histoire des pulsars qui se répète ?

Depuis quelques années, d'autres mystérieuses sources radios intriguent les astrophysiciens et là aussi, l'hypothèse E.T a été considérée un temps avant d'être abandonnée. Il s'agit des sursauts radios rapides, les Fast radio bursts ou FRB en anglais. Les sursauts radio rapides ont été découverts pour la première fois en 2007. On sait juste qu'ils sont très énergiques et durent au plus quelques millisecondes et que la plupart viennent de l'extérieur de la Voie lactée.

Les FRB pourraient trahir l'existence des étoiles de Planck mais des chercheurs ont proposé une hypothèse moins exotique, à savoir qu'ils soient la manifestation de magnétars, des étoiles à neutrons possédant des champs magnétiques d'une intensité record dans le cosmos observable, de l'ordre de mille milliards de fois l'intensité du champ magnétique de la Terre.

Pour tenter d'y voir plus clair à ce sujet, et comme ils l'expliquent dans une publication en accès libre sur arXiv, une équipe de radioastronomes a, pour la première fois, réussi à faire une détermination précise de la distance d'un magnétar au Système solaire en faisant une mesure de parallaxe avec les radiotélescopes du Very Long Baseline Array (VLBA). Rappelons qu'il s'agit d'une technique de combinaison par interférométrie des mesures de plusieurs radiotélescopes répartis sur les continents permettant de faire de la synthèse d'ouverture qui, à la fin, compose un instrument virtuel dont la taille peut être équivalente à celle de la Terre. On peut donc faire des observations avec une résolution spectaculaire.

Jocelyn Bell nous raconte sa découverte des pulsars. 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 ». © Perimeter Institute for Theoretical Physics

L'interférométrie à très longue base (ou VLBI pour Very Long Baseline Interferometry) est l'une des techniques fondamentales de la radioastronomie moderne, qui a d'ailleurs permis le succès de la collaboration Event Horizon Telescope, réussissant à imager pour la première fois un trou noir supermassif au cœur d'un noyau actif de galaxie, M87*. Elle a été proposée en 1962 par Leonid Matveenko, Nikolai Kardashev, et Gennady Sholomitskii, avec le soutien du radioastronome ukrainien et soviétique Iossif Chklovski du célèbre Institut Shternberg.

Dans ce cas précis, le VLBA comprend 10 antennes, de 25 mètres chacune, couvrant le territoire américain depuis Sainte-Croix, dans les Îles Vierges situées dans les Antilles, et le Mauna Kea sur l'île d'Hawaï, dans l'océan Pacifique.

Les mesures de distances, une clé pour l'astrophysique

Les étoiles à neutrons ne sont pas toutes des pulsars et c'est aussi vrai dans le cas des magnétars dont on ne connaît à ce jour que six exemples capables d'émettre des impulsions radios. Le premier du genre a été découvert en 2003 et, dans un catalogue, il est mentionné sous la forme XTE J1810-197. Son activité s'est poursuivie de 2003 à 2008, puis de janvier à novembre 2019 et, tout dernièrement, de mars à avril 2020.

Un schéma expliquant la méthode de la parallaxe appliquée à un magnétar (voir les explications ci-dessous ). © Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

C'est justement XTE J1810-197 qui a été observé à des dates différentes sur la voûte céleste en utilisant la méthode de la parallaxe connue depuis l'antiquité en astronomie planétaire et rendue possible pour la première fois avec des étoiles au début du XIXe siècle grâce aux observations publiées en 1837 par les astronomes allemands, Friedrich Georg Wilhelm von Struve pour Vega, et en 1838, par  Friedrich Wilhelm Bessel pour 61 Cygni.

Cette méthode est simple à comprendre et repose sur des raisonnements élémentaires en géométrie pour un Homo sapiens du XXIe siècle ; évidemment, il en était tout autrement au temps des grecs comme Hipparque. Il faut mesurer à 6 mois d'intervalle des positions d'un astre sur la voûte céleste et appliquer la trigonométrie dans les triangles. De la mesure de la variation angulaire apparente de l'astre et de la connaissance du diamètre de l'orbite terrestre, on en déduit sa distance. Dans le cas de XTE J1810-197, elle est d'environ 8.100 années-lumière, ce qui confirme qu'il s'agit bien d'un des plus proches magnétars connus.

Cette donnée est d'importance car elle permet de mieux calculer la puissance des éruptions de rayonnement produites par ce magnétar et donc de contraindre les modèles avancés pour les expliquer. C'est aussi une preuve de principe que l'on peut faire de même avec le VLBA pour d'autres magnétars proches dans la Voie lactée, ce qui veut dire que l'on finira par avoir assez de données collectées pour départager les modèles envisagés, notamment ceux qui font des FRB des éruptions particulières de magnétars.

Ainsi, on sait que le pulsar du Crabe émet parfois des impulsions radio plus fortes qu'à son habitude et que les caractéristiques de ces impulsions laissent penser qu'elles sont analogues à celles, plus puissantes encore, associées aux FRB.

  • La méthode de la parallaxe est une méthode géométrique simple permettant d'évaluer la distance des astres, d'abord appliquée dans le Système solaire pour les planètes, puis aux étoiles de la Voie lactée proches du Soleil au XIXe siècle.
  • On vient de l'utiliser avec les radiotélescopes combinés du VLBA pour mesurer pour la première fois directement la distance d'un magnétar, XTE J1810-19, une étoile à neutrons fortement magnétisée, et pouvant émettre des impulsions radio à l'occasion de sorte d'éruption.
  • En multipliant ce genre de mesure, on pourrait découvrir que les mystérieux sursauts radios rapides sont en fait des colères particulières des magnétars. Une mesure plus précise de distance permet en effet de mieux évaluer les quantités d'énergies émises par un magnétar et de départager des modèles pour ces émissions.
Pour en savoir plus

Chandra débusque une population de magnétars exotiques

Article de Laurent Sacco publié le 04/06/2013

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.

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.

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 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

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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