Cette vision d'artiste représente une étoile à neutrons arrachant, par ses forces de marée, les couches superficielles d'une étoile de faible masse. Ces étoiles binaires sont appelées des black widows (veuves noires, en anglais) quand elles contiennent des pulsars millisecondes. © Nasa
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Les pulsars millisecondes : la solution de l'énigme du rayonnement gamma au cœur de la Voie lactée ?

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[EN VIDÉO] Galaxie : où se trouve la Terre dans la Voie lactée ?  Le satellite Gaia a cartographié plus d’un milliard d’étoiles. Grâce à ces données, cette vidéo de l'ESA nous transporte jusque dans notre quartier résidentiel au sein de la galaxie, à la découverte de quelque 600.000 étoiles qui nous entourent. Les plus brillantes et connues depuis le sol terrestre, telles Sirius, Betelgeuse, Véga, Aldébaran…, ont leur nom marqué. Le voyage se termine par un plongeon vers le Soleil (Sol), petite étoile à plus de 26.000 années-lumière du centre de la Voie lactée. 

Il existe au cœur de la Voie lactée un fond gamma diffus dont on ne comprend pas bien l'origine. Il pourrait trahir la présence de particules de matière noire... à moins qu'il ne s'agisse d'une conséquence de la présence d'une population un peu exotique de pulsars millisecondes.

L'astronomie gamma a des racines qui remontent au moins à l'après-guerre, pendant le XXe siècle, lorsque les physiciens Feenberg et Primakoff prédisent que des photons gamma doivent être produits dans le cosmos observable quand des électrons à haute énergie entrent en collision avec des photons à basse énergie suivant l'effet Compton. L'énergie cédée par les électrons aux photons pouvant donc les faire passer du domaine visible à celui des rayons gamma. D'autres chercheurs vont comprendre qu'il doit exister des sources supplémentaires de photons gamma dans l'Univers au cours des décennies qui vont suivre.

Ainsi, en 1952, le Japonais Satio Hayakawa prédit l'existence d'un halo galactique de rayons gamma produit par les mésons π neutres de son compatriote Hideki Yukawa. Ces mésons très instables sont produits par des collisions entre les hadrons des rayons cosmiques et les noyaux du gaz interstellaire. Mais, c'est souvent à l'année 1958 et grâce à un article de synthèse sur les travaux précédents de ce genre et que l'on doit au physicien et astrophysicien états-unien Philip Morrison (1915-2005) que l'ont fait remonter la prise de conscience qu'il doit exister une astronomie gamma en tant que telle et que la motivation pour la développer va se faire plus forte.

Ce que nous appelons « lumière » n'est en fait qu'une infime partie de la large gamme de rayonnement sur le spectre du rayonnement électromagnétique. Toute la durée s'étend des ondes radio à très faible énergie aux micro-ondes, à la lumière infrarouge, à la lumière visible, à la lumière ultraviolette, aux rayons X et enfin aux rayons gamma à très haute énergie. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

De l'astronomie gamma aux pulsars gamma

Membre du projet Manhattan et à l'origine l'année suivante du programme Seti avec le célèbre article qu'il avait écrit avec Giuseppe Cocconi et portant sur les communications interstellaires possibles avec des ondes radio, Morrison avait notamment prédit une production de rayons gamma lors de collisions entre protons et neutrons aboutissant à la synthèse de noyaux de deutérium, en particulier à l'occasion de certaines éruptions solaires.

Or, bien plus tard, certains physiciens vont se rendre compte que certaines théories concernant les fameuses particules de matière noire impliquent qu'elles peuvent être instables en se désintégrant en photon gamma ou également s'annihiler lors de collisions entre particules et anti-particules de matière noire. Comme ces mêmes modèles de matière noire prédisent aussi que ces particules exotiques pourraient se concentrer dans le centre des galaxies, on s'est demandé si l'on ne pouvait pas détecter des émissions de rayons gamma anormalement élevées, au cœur de la Voie lactée notamment.

L'excitation des chercheurs a donc fait un bond quand un excès de rayons gamma par rapport au reste de notre Galaxie a effectivement été détecté dans son bulbe, en 2009, par le télescope gamma Fermi de la Nasa. Mais, comme il existe plusieurs processus sans matière noire pouvant produire cet excès, aucune conclusion ferme n'avait été obtenue.

Aujourd'hui, une équipe d'astrophysiciens parmi lesquels se trouve Oscar Macias, ancien membre de l'Institut Kavli de physique et mathématiques de l'Univers (Kavli IPMU) à Tokyo, au Japon, vient d'apporter une nouvelle pièce au débat via un article de Nature Astronomy, article que l'on trouve en accès libre sur arXiv.

Un pulsar est une étoile à neutrons qui émet des faisceaux de rayonnement qui balaient la ligne de visée de la Terre. Comme un trou noir, c'est un point final de l'évolution stellaire. Les pulsars sont des sources ponctuelles originales pour l'astronomie gamma. Quelques années après la découverte des pulsars par les radioastronomes, les pulsars Crab et Vela ont de fait été détectés en photons gamma. Les pulsars accélèrent les particules à d'énormes énergies dans leurs magnétosphères. Ces particules sont ultimement responsables de l'émission de rayons gamma des pulsars. Dans cette vidéo, les rayons gamma sont affichés en magenta. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

Des pulsars sans explosions de supernovae

Il y est question des pulsars millisecondes, ces étoiles à neutrons qui tournent très vite sur elles-mêmes comme si elles venaient tout juste de naître par effondrement gravitationnel d'une étoile massive explosant en supernova SN II mais qui ne sont pas entourées d'un reste de supernova, ce qui implique qu'elles devraient être vieilles, le reste en question s'étant depuis longtemps dissipé.

Futura avait déjà parlé de ces pulsars dans le précédent article ci-dessous, en expliquant justement que l'on avait découvert qu'il pouvait aussi s'agir de source gamma.

Rappelons que la vitesse de rotation des pulsars doit diminuer avec le temps et c'est pour cette raison que des pulsars tournant sur eux-mêmes avec des périodes dans le domaine des millisecondes, mais sans restes de supernovae, étaient problématiques lors de leur découverte au début des années 1980.

Toutefois, on pouvait résoudre l'énigme en faisant intervenir des processus de transfert de matière provenant d'une étoile compagne dans un système binaire. Le transfert de matière pouvant s'accompagner également d'un transfert de moment cinétique, de vieux pulsars pouvaient retrouver de cette manière une jeunesse tourbillonnante.

Scott Ransom a remporté le prix Helen B. Warner 2010 de l'American Astronomical Society ! Dans cette vidéo, il explique ce qu'est un pulsar milliseconde. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © The National Radio Astronomy Observatory, NRAO

On a des raisons de penser que lorsqu'un pulsar se forme par explosion d'une supernova, quand cette explosion est asymétrique, cela conduit le pulsar - et éventuellement aussi le système binaire qui le contient - à recevoir une poussée comme si des réacteurs de fusée étaient allumés.

Ces astres auraient alors tendance à quitter les galaxies ou les amas globulaires qui les contenaient. Mais selon les chercheurs, des étoiles à neutrons peuvent se former sans une puissante explosion de supernova, simplement avec une naine blanche qui accrète de la matière dans un système binaire et finit par devenir tellement massive qu'elle se transforme en étoile à neutrons. Elle peut échapper aussi au destin qui la ferait exploser en supernova SN Ia, ne laissant rien derrière elle, pas même une étoile à neutrons.

Les calculs montrent aussi que la naine blanche devenue étoile à neutrons en se contractant se voit doter d'un puissant champ magnétique qui va l'aider à en faire une source de rayons gamma.

On constate qu'il y a beaucoup de pulsars millisecondes dans les amas globulaires, ce qui laisse penser qu'il y a des milliards d'années, beaucoup se sont formés sans le scénario avec supernova de sorte que les pulsars millisecondes n'ont pas reçu une poussée importante les faisant quitter le puits gravitationnel peu profond d'un amas globulaire, malgré le fait que la vitesse de libération soit peu élevée.

Comme le bulbe central de la Voie lactée a des propriétés voisines d'un amas globulaire, il pourrait y avoir une population importante de pulsars millisecondes sans supernovae encore non détectés qui se seraient, là aussi, accumulés au cours des milliards d'années.

Dans cette hypothèse, Oscar Macias et ses collègues ont montré que l'on pouvait reproduire le flux diffus gamma du noyau de la Voie lactée. Si tel est bien le cas, la présence de matière noire n'est pas requise. Rappelons toutefois que tous les modèles de matière noire n'impliquent pas qu'ils doivent produire parfois des photons gamma. Le modèle proposé ne réfute donc pas automatiquement l'existence de la matière noire.

Pour en savoir plus

La chasse aux pulsars millisecondes relancée de plus belle !

Article de Laurent Sacco publié le 03/02/2016

Les étoiles à neutrons sont des laboratoires pour la physique relativiste et la physique des particules. Elles sont détectées sous forme de pulsars millisecondes (c'est-à-dire des pulsars dont la période de rotation se situe entre 1 et 10 millisecondes) puis étudiées sur Terre avec des radiotélescopes. Des chercheurs viennent de confirmer qu'il est également possible de les observer depuis l'espace, dans le domaine gamma, grâce à des satellites comme Fermi.

Les pulsars sont des objets fascinants que les astrophysiciens étudient depuis leur découverte en 1967 par Jocelyn Bell. Ils sont en fait étudiés théoriquement depuis plus longtemps que cela puisqu'il s'agit d'étoiles à neutrons (on le sait en effet depuis 1971 et les travaux du prix Nobel de physique Riccardo Giacconi) et que l'existence de celles-ci a été prédite en 1933 par Zwicky et Baade. La première description théorique détaillée des étoiles à neutrons a ensuite été donnée en 1939 par Oppenheimer et Volkkoff.

Point final de l'évolution de certaines étoiles qui ont explosé en supernova SN I tout en s'effondrant gravitationnellement, les étoiles à neutrons, dont la masse est de l'ordre de celle du Soleil, possèdent un diamètre de quelques dizaines de kilomètres tout au plus et ressemblent à un gigantesque noyau d'atome. La densité, le champ de gravitation et le champ magnétique y sont donc extrêmes et presque toute la physique est nécessaire pour comprendre les propriétés d'une étoile à neutrons : la relativité générale bien sûr mais aussi la magnétohydrodynamique, la théorie de la superfluidité et celle de la supraconductivité.

Comme leur nom l'indique, les pulsars émettent des ondes radio à un rythme rapide et régulier. Pour comprendre la raison de ce phénomène il faut savoir que toutes les étoiles tournent sur elles-mêmes. Or, 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. Ainsi, une étoile possède un champ magnétique qui doit s'amplifier par conservation du flux lorsqu'elle se contracte. Juste après sa formation, le cœur chaud et dense d'une étoile devenue une étoile à neutrons doit donc 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.

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

L'énigme des pulsars millisecondes

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'ondes 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.

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 par 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 millisecondes » (ou PMS), c'est-à-dire des pulsars dont la période de rotation se situe entre 1 et 10 millisecondes. Sur le plan théorique, il ne semble pas possible qu'il existe des pulsars dont la vitesse de rotation dépasse les 1.500 tours par 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 par 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.

Plus d'une centaine de pulsars millisecondes sont connus aujourd'hui et leur vitesse de rotation est de l'ordre de 300 tours par seconde. À nouveau, et pour chacun d'eux, un âge de formation très jeune semble contradictoire avec l'absence de nébuleuse.

Cette carte montre les émissions dans le domaine des rayons gamma dans la Voie lactée telles que les observe le satellite Fermi. Ces émissions sont intenses dans le disque de notre galaxie. On voit aussi plusieurs pulsars qui ont été détectés en association avec ces émissions de rayons gamma. © Nasa, Fermi LAT Collaboration

L'énigme de leur existence a été résolue en postulant qu'il s'agissait de vieilles étoiles à neutrons dans une étoile binaire qui, depuis quelques millions d'années, accrétaient de la matière en provenance d'une étoile compagne dont les couches supérieures se seraient dilatées au point de franchir le lobe de Roche du système. En tombant en spirale 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.

Des laboratoires pour les théories de la gravitation

Les pulsars millisecondes sont des sortes d'horloges régulières très stables dont la précision rivalise avec celle des horloges atomiques. Des irrégularités dans leurs impulsions radio trahissent donc des phénomènes difficiles à mettre en évidence. De fait, le pulsar milliseconde PSR B1257 + 12 a permis de découvrir la première exoplanète connue, avant celle mis en évidence en 1995 par Mayor et Queloz autour d'une étoile de la séquence principale. Ils constituent même des sondes si sensibles qu'il est possible de repérer autour d'eux des corps célestes dont la masse est comparable à celles des astéroïdes et de la Lune. Les pulsars millisecondes permettent également de poser des contraintes sur les théories relativistes de la gravitation autres que celle d'Einstein.

Comme les pulsars sont aussi des laboratoires pour la physique nucléaire et des particules, les astrophysiciens les traquent dans la Voie lactée. Ils savent qu'ils peuvent les découvrir avec des radiotélescopes mais encore faut-il que le flux d'ondes radio qu'ils émettent interceptent la Terre. C'est pourquoi les chercheurs tentent aussi de les détecter avec des émissions d'ondes moins collimatées. On sait que c'est possible au moyen de l'astronomie gamma.

Un groupe de chercheurs vient d'ailleurs de confirmer à nouveau qu'il était possible d'utiliser le télescope Fermi en montrant, à l'aide du télescope d'Arecibo, que des sources gamma étaient bel et bien des pulsars, en l'occurrence des pulsars millisecondes, comme les astrophysiciens l'expliquent dans un article en accès libre sur arXiv.

On connaît surtout ces pulsars dans les amas globulaires mais il semble maintenant que Fermi soit un bon instrument pour découvrir des PMS dans le disque galactique. Six nouveaux pulsars millisecondes ont ainsi été ajoutés au tableau de chasse de Fermi qui en compte une cinquantaine. Un de ces pulsars est relativement classique et forme un couple avec une naine blanche relativement éloignée. Trois sont typiquement ce que l'on a appelé des black widows (veuves noires en anglais) et deux des redbacks. Dans les deux cas, les noms font référence à des araignées (australiennes dans le second cas) qui dévorent leurs mâles.

En l'occurrence, ces dénominations s'expliquent parce que les pulsars sont particulièrement proches d'étoiles normales de faibles masses (0,1 masse solaire) avec lesquelles elles forment un système binaire. Les pulsars ont en fait arraché beaucoup de matière à ces étoiles dans le cas des black widows alors que cette matière est soufflée par les particules émises par les étoiles à neutrons dans le cas des redbacks. En fait, presque tous les black widows et redbacks de la Voie lactée ont été découverts par Fermi qui a également débusqué environ 30 % de tous les PMS connus dans le disque galactique.

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