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Des montagnes sur les étoiles à neutrons ?

ActualitéClassé sous :Astronomie , Etoile à Neutrons , onde gravitationnelle

Certaines caractéristiques des étoiles à neutrons en feraient des générateurs d'ondes gravitationnelles dont le signal serait relativement facile à détecter avec les instruments géants Ligo et Virgo. Une de ces caractéristiques est étonnante : les étoiles à neutrons, ces astres hyper denses où n'importe quel objet posé en surface serait immédiatement aplati, pourraient  posséder des montagnes aux pôles magnétiques.

Figure 2. En bleu, les lignes de champ magnétique de l'étoile à neutrons et, en jaune, ses montagnes. Crédit : M. Vigelius/A. Melatos/Université de Melbourne

Les ondes gravitationnelles et les étoiles à neutrons sont des prédictions de la relativité générale, déjà anciennes, datant de la fin des années 1910 pour la première et de la fin des années 1930 pour la seconde. Les étoiles à neutrons ont été observées en 1967 sous forme de pulsars et c'est à partir de l'observation minutieuse de la diminution de la période orbitale d'un système binaire comportant un pulsar à partir de 1974 que l'on a pu démontrer indirectement l'existence d'ondes gravitationnelles.

La détection directe d'ondes gravitationnelles ouvrirait une nouvelle fenêtre en astrophysique. Elle permettrait de tester directement non seulement les équations de la relativité générale en champ fort mais surtout de vérifier si les calculs des astrophysiciens relativistes théoriciens concernant les propriétés des trous noirs sont bien exacts. Par définition, un trou noir est un objet astrophysique possédant un horizon des événements. Selon la relativité générale classique, tout peut y entrer mais rien ne peut en sortir, pas même la lumière ni des neutrinos. Lorsqu'un trou noir absorbe une étoile ou entre en collision avec un autre trou noir, ou même une étoile à neutrons, cet horizon se déforme et ne devient plus parfaitement sphérique.

Cela ne peut durer bien longtemps, d'après le théorème de Price, et le trou noir se met à vibrer selon des modes dits quasi normaux pour lisser ses irrégularités en émettant des ondes gravitationnelles. Le spectre émis possède une caractéristique propre au trou noir qui en est la carte d'identité la plus sûre. C'est pourquoi de gigantesques détecteurs d'ondes gravitationnelles comme Ligo et Virgo ont été construits. De même, lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision, un spectre d'ondes gravitationnelles bien précis doit être produit, donnant des renseignements sur la structure interne de ces étoiles et la nature de la matière nucléaire dans leur intérieur.

Dans tous ces cas, il faut que la source d'ondes gravitationnelles ne soit pas à symétrie sphérique, sans quoi aucune émission n'est possible. Matthias Vigelius et Andrew Melatos, de l'Université de Melbourne en Australie, viennent de confirmer par des simulations en 3D que des étoiles à neutrons sphériques pouvaient malgré tout acquérir suffisamment d'écart à la sphéricité parfaite pour être de bons générateurs d'ondes gravitationnelles dans une certaine bande de fréquences. Le signal émis pourrait même être plus facile à détecter que celui produit lors de la collision rare d'astres compacts comme les naines blanches, les trous noirs et bien sûr les étoiles à neutrons.

Figure 1. Axe magnétique et axe de rotation ne coïncident pas dans une étoile à neutrons. Crédit : University of Hong Kong

Les pôles attirent la matière de l'astre compagnon

L'idée est simple. La majorité des étoiles vivent en couple, formant des binaires. Il arrive que l'une des deux étoiles arrache du gaz à sa compagne. Lorsqu'il s'agit d'une étoile à neutrons, un phénomène se produit qui est lié à son intense champ magnétique. Le gaz chauffé et accrété par l'étoile cannibale étant ionisé, il se dirige vers les pôles magnétiques de l'étoile en suivant les lignes de champ, comme on peut le voir sur la figure 2. En s'accumulant à la surface de l'étoile et grâce aux propriétés stabilisantes du champ magnétique, des montagnes pouvant atteindre entre 10 centimètres et 1 mètre de hauteur pourront se former sur cet astre de quelques dizaines de kilomètres de diamètre et pesant en général aussi lourd que le Soleil. Comme les pôles magnétiques ne coïncident pas avec les pôles de rotation (voir la figure 1), la structure de l'étoile devient asymétrique du point de vue de la génération des ondes gravitationnelles et il s'en émettrait donc.

Contrairement à celui des collisions d'astres compacts, en raison de son origine liée à la rotation de l'étoile à neutrons, une partie du signal devrait être très régulier, ce qui aiderait à l'extraire du bruit de fond dans les détecteurs. Malgré tout, sa détection dans Ligo et Virgo pourrait bien nécessiter plus de puissance de calcul que l'on n'en dispose d'ordinaire, un problème auquel la technique de calcul partagé de Einstein@ home pourrait finir par remédier. Rappelons que l'on a toujours pas détecté d'ondes gravitationnelles dans Ligo ni dans Virgo.

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