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L'énigme de la formation d'un magnétar résolue par le VLT

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Un des magnétars repérés dans la Voie lactée posait problème aux astrophysiciens. Tout semblait indiquer qu'il provenait d'une étoile contenant initialement au moins 40 masses solaires. Or, en fin de vie,une telle étoile aurait dû se transformer en trou noir et pas en magnétar. La solution de l'énigme semble avoir été trouvée après la détection par le VLT d'une étoile qui aurait dans le passé formé un système binaire avec ce qui allait devenir ce magnétar.

Une vue d'artiste du magnétar de l'amas Westerlund 1. Les lignes de champ magnétique sont représentées. © ESO/L. Calçada

Depuis que Fred Zwicky, Walter Baade, Lev Landau et Robert Oppenheimer ont compris pendant les années 1930 qu'il devait exister des étoiles à neutrons notre compréhension théorique de ces astres a fait des progrès et ils sont observés, sous forme de pulsars, depuis la fin des années 1960. Mais ces astres conservent encore beaucoup de leur mystère. On continue à s'interroger sur l'état de la matière nucléaire dans leurs profondeurs mais aussi sur les mécanismes astrophysiques qui leur donnent naissance. On sait tout de même qu'elles se forment à l'occasion de certaines explosions d'étoiles, les supernovae SN II.

En 1992, le bestiaire des étoiles à neutrons s'est étendu lorsque les astrophysiciens Robert Duncan et Christopher Thompson ont postulé l'existence de ce que l'on appelle des magnétars pour expliquer certaines sources sporadiques particulièrement intenses de rayons X et de rayons gamma découvertes depuis la fin des années 1970. Aujourd'hui une vingtaine de magnétars sont connus dans la Voie lactée et il semble bien que ce sont des étoiles à neutrons possédant un champ magnétique particulièrement élevé.

Une étoile qui aurait dû se transformer en trou noir

L'un de ces magnétars, présent dans les archives scientifiques sous la dénomination technique de CXOU J164710.2-455216, intriguait les astrophysiciens depuis un certain temps. Sa situation est particulière, au sein d'un amas ouvert de jeunes étoiles découvert en 1961 par l'astronome suédois Bengt Westerlund. Situé à 16.000 années-lumière de la Terre dans la constellation australe de l'Autel (Ara), l'amas Westerlund 1 est considéré comme le plus massif et le plus compact identifié à ce jour dans la Galaxie, avec environ 100.000 masses solaires contenues dans un volume dont la taille est d'environ 6 années-lumière seulement.

Le jeune amas ouvert Westerlund 1 dans la constellation de l'Autel contient beaucoup d'étoiles supergéantes bleues. Mais à cause des nombreuses poussières interstellaires qui s'interposent entre lui et nous, ces étoiles apparaissent rouges. Certaines brillent d’un éclat pratiquement équivalent à un million de soleils et certaines ont un diamètre deux mille fois plus grand que le Soleil (donc aussi large que l’orbite de Saturne). En bas à gauche, la localisation du magnétar de Westerlund 1. © ESO

Quand il est apparu que cet amas contenait beaucoup d'étoiles de quelques dizaines de masses solaires, il a beaucoup attiré l'attention des astrophysiciens qui y ont vu un excellent laboratoire pour étudier la naissance, l'évolution et la mort des étoiles massives. En effet, la théorie de la structure et de l'évolution stellaire implique que des étoiles aussi massives sont destinées à s'effondrer gravitationnellement. Elles exploseront toutes sous forme de supernovae en laissant derrière elles des cadavres stellaires, à savoir des étoiles à neutrons et des trous noirs.

Comme ces étoiles brûlent leur carburant nucléaire très rapidement, on en déduit que Westerlund 1 est jeune. Il y a quatre ans, son âge a été estimé à 3,5 millions d'années tout au plus, grâce à une mesure des masses des composantes d'une étoile binaire. La présence d'un magnétar est tout de suite devenue problématique. L'étoile génitrice du magnétar devait contenir au moins 40 masses solaires pour s'être transformée en cet astre compact avant ses sœurs nées en même temps qu'elle (puisque dans un amas ouvert, toutes les étoiles se sont formées simultanément). Or une telle masse entre a priori en conflit avec la théorie de la structure et de l'évolution stellaire qui prédit qu'elle aurait dû se transformer en trou noir et pas en étoile à neutrons.

Les théoriciens avaient bien trouvé une façon de résoudre ce conflit en postulant que le magnétar avait commencé sa vie lui aussi sous forme d'étoile binaire. Mais pour le prouver, encore fallait-il trouver son étoile compagne. Aucune n'apparaissait à proximité de CXOU J164710.2-455216 mais elle pouvait fort bien avoir été éjectée une fois que l'étoile binaire avait été déstabilisée par l'explosion de l'une de ses composantes. Les astronomes de l'ESO sont donc partis à la chasse à cette éventuelle étoile compagne. Ils ont récemment annoncé dans un article déposé sur arxiv qu'ils pensaient bel et bien l'avoir retrouvée.

Un scénario de formation pour les magnétars

Westerlund 1-5 est une étoile dotée d'une vitesse élevée qui la conduit à s'échapper de l'amas ouvert précisément comme le ferait une étoile ayant fait partie d'un système binaire avant d'en être éjectée par l'explosion en supernova de son étoile compagne. L'analyse de la composition de son atmosphère montre que c'est probablement ce qui s'est passé. En tant qu'étoile légère, elle contient beaucoup trop de carbone. Cela se comprend bien si elle a accrété le gaz enrichi en ces noyaux lourds par une étoile compagne ayant explosé en supernova.

Tous ces éléments confortent le scénario avancé pour rendre compte de l'existence paradoxale du magnétar. Westerlund 1-5 aurait été initialement l'étoile la plus massive de ce duo, avec probablement 41 masses solaires, et elle devait former avec le futur magnétar un système si serré qu'il aurait été contenu dans l'orbite de la Terre autour du Soleil. Un premier transfert de masse se serait effectué de l'étoile la plus massive vers la moins massive contenant initialement peut-être 35 masses solaires et qui aurait gagné au passage aussi du moment cinétique. Voyant sa masse augmenter alors que celle de Westerlund 1-5 diminuait ,elle aurait évolué plus rapidement en devenant une étoile de Wolf-Rayet. Instable et rendant une partie de sa masse sous forme de vents stellaires à son étoile compagne, elle aurait fini par exploser en supernova SN Ibc, éjectant les noyaux lourds qu'elle avait synthétisés, enrichissant la surface de Westerlund 1-5 en carbone. Au final, bien qu'ayant évolué plus rapidement que toutes les autres étoiles du fait de sa masse, l'étoile progénitrice du magnétar devait être moins massives que 40 masses solaires au moment de son explosion. Elle était donc assez légère pour ne pas devenir un trou noir.

On peut penser que c'est le transfert de moment cinétique, ayant fortement augmenté la vitesse de rotation de l'étoile, qui a joué un rôle essentiel dans l'amplification de son champ magnétique et qui est donc responsable de l'existence du magnétar. Peut-être faut-il y voir là l'explication de la formation de tous les magnétars.

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