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La masse d'un pulsar déterminée juste avant sa disparition

ActualitéClassé sous :Etoile à Neutrons , Pulsar , PSR J1906+0746

Dans le cadre d'une campagne d'observations menée sur cinq ans, avec les cinq plus grands radiotélescopes de la Planète, incluant notamment celui de la station de radioastronomie de Nançay (Observatoire de Paris, CNRS, université d'Orléans), une équipe scientifique internationale est parvenue à mesurer les deux masses d'un système binaire de pulsars relativistes... juste avant que celui-ci ne disparaisse.

Les sons de l'espace  Les sons de l’espace : ce sujet du magazine Space (sur Euronews) fait entendre une symphonie de – vrais – pulsars puis une adaptation (Sun Rings) par le Kronos Quartet et interroge des astronautes sur les musiques qu’ils emportent « là-haut ». 

Une équipe internationale d'astronomes vient de mesurer les deux masses d'un système binaire de pulsars relativistes connu sous le nom de PSR J1906+0746, ou J1906 en abrégé. Ces résultats sont publiés dans The Astrophysical Journal, et ont été présentés au 225e meeting de l'American Astronomical Society à Seattle, le 8 janvier 2015.

Le système binaire en question se présente comme suit :

  • Un pulsar, étoile à neutrons dotée d'un fort champ magnétique, tourne sur lui-même, et, à la manière d'un phare marin, émet des impulsions radio. Celles-ci sont réçues sur Terre à raison d'une toutes les 144 millisecondes.
  • Il orbite autour d'une autre étoile à neutrons (ou peut-être une grosse naine blanche) en un tout petit peu moins de quatre heures.

La vidéo ci-dessous explique le fonctionnement de ce système binaire. L'étoile à neutrons, visible comme un pulsar, est représentée avec un faisceau tournant. L'étoile compagnon est immobile au centre de l'image. 
Dans un espace-temps plat, lorsque l'étoile compagnon a une masse nulle, mais autour de laquelle le pulsar continue à tourner pour illustration, l'axe de rotation (représenté par une flèche) ne bouge pas après une orbite. 
Avec un compagnon d'une masse de 1,2 masse solaire (environ un demi-million de fois la masse de la Terre, mais dans une sphère de seulement 10 km), l'espace-temps se déforme. Après une orbite, l'axe de rotation du pulsar est maintenant incliné (l'effet est ici exagéré un million de fois). 
À cause de cet effet, le pulsar n'est maintenant plus du tout visible depuis la Terre.

© Joeri van Leeuwen, Astron, CNRS-INSU, YouTube

Découvert en 2004 à l'Observatoire d'Arecibo, avec le plus grand radiotélescope du monde, ce système fait, depuis cinq ans, l'objet d'une surveillance quasi journalière et d'une étude rapprochée à l'aide des cinq plus grands radiotélescopes sur Terre : ceux d'Arecibo (États-Unis), Green Bank (États-Unis), Nançay (France), Lovell (Royaume-Uni) et le Westerbork Synthesis Radio Telescope (Pays-Bas). En cinq ans, cette campagne a réussi à maintenir un décompte exact des rotations du pulsar... plus d'un milliard au total !

L'équipe scientifique internationale menée par Joeri van Leeuwen, astrophysicien à Astron, The Netherlands Institute for Radio Astronomy, et à l'université d'Amsterdam, est ainsi parvenue à déterminer la masse de l'étoile à neutrons et à mesurer les déformations de l'espace-temps dans le champ de gravité de l'étoile binaire.

À ce jour, les masses de seulement une poignée de tels systèmes ont été mesurées. J1906 est de loin l'étoile la plus jeune. Les deux étoiles sont toutes deux plus massives que le Soleil et pourtant cent fois plus proches l'une de l'autre que la Terre ne l'est du Soleil. Il en résulte une gravité extrême produisant des effets peu communs. L'un d'eux est la précession géodétique.

L’effet de précession géodétique

D'après la théorie de la relativité générale, les étoiles à neutrons voient leur axe de rotation osciller lorsqu'elles se déplacent dans le champ de gravité d'une étoile compagnon proche et massive, un peu à la manière d'une toupie lancée sur un coin de table. Orbite après orbite, le pulsar traverse un espace-temps déformé, ce qui laisse une empreinte sur l'axe de rotation.

L'équipe a mesuré la précession géodétique pour J1906. Du fait de l'espace-temps déformé, environ un millionième de l'orbite du pulsar est « manquant » par comparaison avec ce qu'il aurait été dans un espace-temps plat. En une année d'observations aux radiotélescopes, cela correspond à un changement de 2,2 degrés dans l'orientation de l'axe de rotation du pulsar.

« Par les effets de cette énorme attraction gravitationnelle, l'axe de rotation du pulsar a tellement oscillé que ses étroits faisceaux radio n'éclairent plus la Terre à chaque rotation, souligne Joeri van Leeuwen. Le pulsar est maintenant complètement invisible même pour les plus grands radiotélescopes sur Terre. C'est la première fois qu'un pulsar jeune disparaît par précession. Heureusement, la toupie cosmique continue à osciller et devrait faire revenir les faisceaux radio sur Terre... mais cela devrait prendre quelque 160 ans ! »

Une illustration de l'orbite du pulsar J1906 (sur la droite, avec des faisceaux radio) autour de son compagnon (au centre). Dans l'espace-temps courbé par ce compagnon (en bleu), l'axe de rotation du pulsar s'incline le long de son orbite. L'effet est exagéré un million de fois dans cette illustration. © Joeri van Leeuwen, Astron