Une représentation d'artiste du disque d'accrétion d'un pulsar ou d'une naine blanche arrachant de la matière à son étoile compagne déformée par les forces de marée. © P. Marenfeld and NOAO/AURA/NSF

Sciences

La naissance d'un pulsar milliseconde peut-être observée

ActualitéClassé sous :Astronomie , Victoria Kaspi , pulsar milliseconde

Un flash de rayons X détecté par le satellite Integral de l'ESA est peut-être la signature du début de l'arrachement de la matière d'une géante rouge par des forces de marée d'un vieux pulsar. Si tel est le cas, sa vitesse de rotation va augmenter pour produire un exemple des « pulsars milliseconde » qui ont dérouté les astrophysiciens au début des années 1980.

Les étoiles à neutrons sont des cadavres stellaires laissés par l'effondrement gravitationnel d'étoiles au moins 8 à 10 fois plus massives que le Soleil et qui ont explosé en donnant des supernovae SN II. L'évènement laisse en effet un cœur de matière hyperdense riche en neutrons et avec une croûte de fer concentrant, dans une sphère de quelques dizaines de kilomètres environ, une fois la masse du Soleil.

Du fait de la conservation du moment cinétique lors de l'effondrement de l'étoile, le cœur de matière qui est laissé doit tourner à grande vitesse. On prédit aussi l'existence d'un champ magnétique très intense et l'ensemble de ces phénomènes se combine pour produire une source de rayonnement radio que peut détecter un radiotélescope, si la Terre passe dans le faisceau collimaté émis par le nouvel astre devenu une sorte de phare cosmique. L'instrument enregistre alors des pulsations régulières et c'est pourquoi ces étoiles à neutrons ont été baptisées des pulsars.

Le temps passant, la théorie de ces objets prédit que le champ magnétique va baisser en intensité et la rotation ralentir. De fait, c'est bien ce que l'on observait pour de vieux pulsars jusqu'au début des années 1980 qui ont été marquées par la découverte des pulsars milliseconde (comme expliqué dans le précédent article, ci-dessous). Ces pulsars étaient nécessairement vieux puisque l'on n'observait plus une enveloppe de matière chaude en expansion laissée par l'explosion de la supernova autour de l'étoile à neutrons. Pourtant, les vitesses de rotation étaient celles de jeunes pulsars bien que le temps passé fût suffisant pour que la nébuleuse laissée ait eu le temps de se dissiper ainsi que l'énergie cinétique de rotation de ces étoiles à neutrons.

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

Des étoiles symbiotiques aux pulsars milliseconde

Les astrophysiciens ont trouvé la clé de l'énigme en faisant de ces pulsars milliseconde les membres d'une étoile binaire. Il suffisait de faire intervenir l'évolution d'une étoile en géante rouge, ce qui lui faisait produire des vents de matière importants et surtout la conduisait à gonfler jusqu'à atteindre les limites d'une région correspondant à ce que l'on appelle les lobes de Roche (du nom de l'astronome français Édouard Roche). Au-delà de cette limite, les forces de marée de l'autre astre composant la binaire, une étoile plus jeune sur la séquence principale aussi bien qu'un trou noir ou une naine blanche, arrachaient des courants de matière à la géante, ainsi que du moment cinétique qui était transféré à l'étoile à neutrons, accélérant sa rotation et lui donnant une sorte de lifting la faisant paraître plus jeune.

Une équipe internationale d'astrophysiciens pense avoir eu la chance de surprendre le début de la naissance d'un pulsar milliseconde sous la forme d'un curieux flash de rayons X observé par le satellite Integral de l'ESA comme elle l'explique dans un article sur arXiv. Baptisée IGR J17329-2731, la source a été ensuite observée dans le visible par le télescope SOAR (en anglais, Southern Astrophysical Research Telescope), un télescope de 4,10 m qui travaille en lumière visible et en infrarouge situé sur le Cerro Pachón, au Chili. Une étoile symbiotique située dans la Voie lactée a alors été découverte, formée par une géante rouge de classe M et une étoile à neutrons en rotation lente d'après les observations en rayons X de XMM-Newton et NuSTAR.

Un flux de rayons X se maintient, ce qui laisse penser que nous avons peut-être observé non pas un éruption de matière transitoire de la géante mais bien le début du transfert de matière donnant à terme un pulsar milliseconde.

Un fait intrigue cependant les astrophysiciens. Le champ magnétique de l'étoile à neutrons est fort, ce qui ne cadre pas avec une vieille étoile à neutrons. Selon l'astrophysicien Enrico Bozzo, de l'université de Genève, et qui a mené l'étude de IGR J17329-2731 : « ces objets sont déroutants. Il se peut que le champ magnétique des étoiles à neutrons ne se dissipe pas substantiellement au bout d'un certain temps, ou que l'étoile à neutrons observée se soit formée plus tard dans l'histoire du système binaire. Cela pourrait signifier qu'elle s'est effondrée à partir d'une naine blanche en se nourrissant de la géante rouge pendant longtemps, plutôt que de devenir une étoile à neutrons à la suite d'une explosion en supernova plus traditionnelle d'une étoile massive de courte durée ».

Cela serait une nouveauté étonnante, une naine blanche accrétant de la matière est censée produire des novae ou des supernovae SN Ia.

  • Les étoiles binaires sont majoritaires dans la Voie lactée avec des étoiles de masses différentes et qui vont évoluer à des vitesses différentes, donnant des systèmes où l'un des objets est un astre compact, une naine blanche, une étoile à neutrons ou un trou noir.
  • L'autre étoile finit par devenir une géante rouge qui gonfle jusqu'à atteindre les limites de ce que l'on appelle les lobes de Roche (du non d'un astronome français), de sorte qu'un transfert de masse et de moment cinétique s'enclenche de l'étoile vers l'astre compact.
  • Le transfert de moment cinétique peut faire grimper la vitesse de rotation d'un vieux pulsar, lui donnant une nouvelle jeunesse.
  • Un flash de rayons X a été observé, indiquant probablement le début de ce phénomène conduisant à terme à l'existence des pulsars milliseconde.
Pour en savoir plus

L'origine des pulsars milliseconde se confirme

Article de Laurent Sacco, publié le 27/05/2009

Découvert en 1982, le premier pulsar milliseconde semblait défier les lois de l'astrophysique. Une équipe d'astrophysiciens vient de confirmer l'un des modèles expliquant la rotation si rapide de ces étoiles à neutrons.

Lorsque qu'une étoile de plus de 8 masses solaires explose, elle laisse une nébuleuse qui se dissipera très rapidement à l'échelle du temps cosmologique mais aussi un astre incroyablement dense pouvant rassembler dans une sphère de quelques dizaines de kilomètres de diamètre une masse de l’ordre de celle du Soleil.

Cet effondrement explique l'apparition de ce que l'on a appelé les pulsars, ces astres qui émettent des ondes radio à un rythme rapide et régulier. Toutes les étoiles tournent et, 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. De même, une étoile possède un champ magnétique qui doit s'amplifier par conservation du flux lorsqu'elle se contracte. Ainsi, juste après sa formation, le cœur chaud et dense d'une étoile devenue une étoile à neutrons doit-il 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. L'étoile à neutrons apparaît alors comme un pulsar.

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'onde 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.

Une nouvelle famille d'astres : les phares cosmiques ultrarapides

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/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 milliseconde », trouvés pour l'essentiel dans les amas globulaires. Sur le plan théorique, il ne semble pas possible qu'existent des pulsars dont la vitesse de rotation dépasse les 1.500 tours/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/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.

Près de 180 pulsars milliseconde sont connus aujourd'hui et leur période de rotation est de l'ordre de 300 tours/seconde. À nouveau et pour chacun d'eux, un âge de formation très jeune semble contradictoire avec l'absence de nébuleuse, reste de supernova. Enfin, étrangement, 130 des 180 connus environ se trouvent dans les amas globulaires.

Nés de couples binaires serrés

Comment expliquer de tels phénomènes ? L'explication la plus simple fait intervenir l'existence de systèmes binaires, qui sont d'ailleurs, justement, plus abondants dans les amas globulaires denses en étoiles. Pendant quelques millions d'années, un vieux pulsar se mettrait à accréter de la matière en provenance de son étoile compagne dont les couches supérieures se seraient dilatées au point de franchir le lobe de Roche du système. En spiralant 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. De plus, à cause de faibles distances entre les étoiles, la formation de couples serrés est favorisée dans un amas globulaire.

Anne Archibald, étudiante en astrophysique à l'Université McGill au Canada, analysait avec sa directrice de thèse, Victoria Kaspi, un relevé d'un tiers de la sphère céleste conduit avec le radiotélescope de Green Bank lorsqu'elle découvrit un pulsar milliseconde. Comme les deux astrophysiciennes l'expliquent avec leurs collègues dans un article de Science publié aussi sur arXiv, ce pulsar milliseconde pouvait être rapproché d'autres observations effectuées une décennie plus tôt dans la même région mais dans le domaine optique. Un disque d'accrétion entourant l'étoile à neutrons avait alors été observé. Or ce dernier n'existe plus aujourd'hui.

Cette observation constitue donc un argument de poids en faveur d'une des explications souvent avancées pour rendre compte de l'existence paradoxale des pulsars milliseconde.

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