Une vue d'artiste d'une étoile à neutrons accrétant de la matière et émettant des rayons X. © Nasa

Sciences

Des étoiles à neutrons brillent comme des millions de soleils

ActualitéClassé sous :Etoile à Neutrons , source X ultralumineuse , Nustar

Les sources X ultralumineuses sont connues presque depuis les débuts de l'astronomie X dans l'espace et on pensait jusqu'à peu qu'elles étaient des trous noirs de masses intermédiaires accrétant de la matière. Mais les dernières observations de Chandra montrent qu'au moins une, et sans doute toutes ces sources sont des étoiles à neutrons accrétant de la matière selon un processus exotique.

HEAO-2 (High Energy Astrophysical Observatory), renommé Einstein après son lancement en novembre 1978, n'était pas le premier satellite capable de détecter des sources X dans l'espace (ce titre revient au satellite Uhuru de la Nasa en 1970), mais il était le premier à pouvoir faire de vraies images de ces sources. On lui doit la découverte au cours des années 1980 des sources X ultralumineuses (Ultraluminous X-ray source ou ULX, en anglais). Elles sont situées dans les parties externes des galaxies, loin des trous noirs supermassifs qu'elles abritent.

Les ULX ont bien sûr été étudiées plus en détail par les successeurs d'Einstein tels Chandra et aujourd'hui NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array). Ces objets ne peuvent pas être des quasars mais ils peuvent être aussi lumineux que quelques millions d'étoiles sous le regard de ces satellites. Et cela ne peut qu'exciter la curiosité des astrophysiciens qui se sont demandés quels objets astrophysiques pouvaient bien produire un tel éclat dans le domaine des rayons X.

Une vue d'artiste du satellite HEAO-2. © Nasa

Des trous noirs intermédiaires ou une accrétion supercritique ?

Une première réponse pouvait être que l'on était en présence de trous noirs intermédiaires dont les masses pouvaient être de 100 à 100.000 masses solaires. Une application naïve de la formule classique donnant la luminosité d'un objet compact accrétant de la matière indiquait en effet une masse au moins égale à 10 masses solaires, ce qui est au-dessus de la masse limite pour une étoile à neutrons.

Mais les astrophysiciens ont réalisé aussi que l'on pouvait se passer de l'hypothèse trou noir si l'on faisait intervenir une accrétion supercritique générant une luminosité qualifiée de super-Eddington.

Rappelons que c'est en 1921 que le grand astrophysicien Arthur Eddington a découvert qu'il existait une limite maximale à la luminosité d'une étoile de masse donnée. Cette limite porte aujourd'hui son nom. L'existence d'une telle loi n'est pas difficile à comprendre. Le rayonnement exerce une pression et si cette pression est suffisamment importante, elle peut contrecarrer l'effondrement gravitationnel de la matière. C'est précisément ce qui se passe avec les étoiles lorsqu'elles sont stables. Mais si le rayonnement est trop intense, il peut vaincre la force d'attraction et souffler l'étoile. On peut trouver une limite d'Eddington pour la luminosité d'un astre en train d'accréter de la matière. Cette limite est d'autant plus importante que la masse de l'objet accrétant est élevée.

Il existe toutefois des processus exotiques qui permettent de dépasser cette limite et depuis quelques années les observations obtenues avec NuSTAR suggéraient qu'au moins quelques ULXs pouvaient bien être des étoiles à neutrons en régime d'accrétion supercritique. Une équipe menée par des chercheurs du fameux Caltech où travaille le prix Nobel de physique Kip Thorne vient d'enfoncer un peu plus le clou à cet égard en publiant un article dans Nature.

Une image composite montrant en mauve les rayons X vus par Chandra et dans le visible la galaxie M51 vue par Hubble. La source X ultralumineuse de Chandra est bien visible à gauche. © Nasa, CXC, Caltech, M.Brightman et al.; Optique : Nasa, STScI

Des niveaux de Landau qui trahissent des étoiles à neutrons magnétisées

Les chercheurs ont utilisé Chandra pour observer une ULX dans la galaxie M51 plus connue sous le nom de galaxie du Tourbillon (Whirlpool Galaxy, en anglais) dans la constellation des Chiens de chasse, à environ 27 millions d'années-lumière de la Voie lactée. C'est en réalité un couple de galaxies composé d'une galaxie spirale massive (dont le diamètre est estimé à 100.000 années-lumière) et d'une petite galaxie irrégulière.

L'ULX se trouve dans la galaxie spirale et en compulsant les archives des observations de Chandra, les astrophysiciens ont trouvé dans les spectres la présence d'une raie d'absorption bien particulière ne pouvant être causée que par le phénomène de diffusion résonante cyclotron (en anglais cyclotron resonance scattering) des rayons X. Il se produit avec des particules chargées sur des orbites circulaires du fait qu'elles sont plongées dans un champ magnétique, orbites qui sont si petites que l'on doit faire intervenir la mécanique quantique qui leur prédit alors des niveaux d'énergie analogues à ceux des électrons dans un atome et que l'on appelle des niveaux de Landau.

Ce phénomène permet d'estimer la valeur du champ magnétique dans lequel se déplacent les particules chargées, que ce soit des protons ou des électrons. L'intensité de ce champ est très élevée dans le cas de l'ULX de M51, ce qui semble clairement exclure un trou noir mais au contraire est parfaitement compatible avec la présence d'une étoile à neutrons.

Reste que l'on n'a pas encore assez de données pour savoir si les particules sur les niveaux de Landau sont des électrons ou des protons. Dans le dernier cas, on serait en présence d'un champ magnétique tellement fort que l'on verrait effectivement le mécanisme connu permettant une accrétion supercritique opérer. Dans le premier cas, il reste à trouver.

  • Les sources X ultralumineuses ont été découvertes dans les années 1980 par le premier satellite capable d'imager les sources de rayons X.
  • Pouvant briller dans ce domaine comme un million d'étoiles et plus, elles semblaient être des trous noirs de masses intermédiaires dans les bordures des galaxies.
  • Les observations de NuSTAR, et surtout de Chandra, montrent qu'il s'agit au moins dans certains cas d'étoiles à neutrons qui doivent posséder un régime d'accrétion exotique dit supercritique.
  • Dans un cas nous en sommes sûr, car on observe les niveaux de Landau de particules chargées dans un champ magnétique. Or, ils ne peuvent pas être produits par des trous noirs de masses intermédiaires.
Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi