Le mystérieux objet interstellaire ʻOumuamua fait encore parler de lui. © dottedyetti, Adobe Stock
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ʻOumuamua signale-t-il l'arrivée d'une étoile à neutrons dans le Système solaire ?

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[EN VIDÉO] Une neuvième planète se cacherait dans le Système solaire  Des astronomes en sont convaincus : il existe une neuvième planète dans les confins du Système solaire. C'est ce qu'indiquent, selon eux, les orbites particulières de plusieurs objets de la ceinture de Kuiper et aussi de la planète naine Sedna, au-delà de Neptune. Les calculs lui donnent une masse comprise entre 5 et 10 fois celle de la Terre. Ce serait une géante de glace, à l’instar de Neptune. Elle serait actuellement dans la région de son orbite très elliptique la plus éloignée du Soleil. Il lui faudrait entre 10.000 et 20.000 ans pour boucler son orbite autour du Soleil. 

Il ne s'agit pas encore d'une publication officielle mais d'une thèse avancée lors d'un séminaire sur Zoom au prestigieux Caltech, où de nombreux prix Nobel ont été et sont encore professeurs. Un lien a été établi entre la trajectoire, la forme de ʻOumuamua et une étoile à neutrons dont la présence se signalerait déjà par les effets crédités jusqu'ici à l'hypothétique neuvième planète.

Tout comme l'University of Antarctica (UANT) à laquelle il était fait référence à la fin de cet article, l'étoile à neutrons qui serait sur le point de pénétrer dans le Système solaire n'existe pas et il s'agissait bien d'un poisson d'avril. Précisons tout de même ce qui est vrai en répondant à quelques questions.

1. Une étoile à neutrons pourrait-elle errer dans la Voie lactée et finir par entrer en collision avec le Soleil ?

Déjà, il faut savoir que les distances moyennes entre les étoiles de notre Galaxie (quelques années-lumière) sont telles que des collisions sont très improbables et, de fait, les astronomes qui la modélisent la traitent comme un gaz d'étoiles sans collision et autogravitant. Techniquement, ils utilisent une variante de l'équation de Vlassov que les physiciens, étudiant des plasmas sans collisions, connaissent bien et qui a fait l'objet de travaux par de nombreux chercheurs comme Lev Landau et Cédric Villani.

Mais cela ne veut pas dire que des passages relativement rapprochés ne sont pas possibles bien que pas au point de rendre crédible ce poisson d'avril. Ainsi, il y a 70.000 ans, une petite étoile binaire baptisée étoile de Scholz serait passée à 0,8 voire 0,6 année-lumière du Soleil.

Sinon, il existe incontestablement des étoiles à neutrons, que l'on a détectées sous forme de pulsars, fonçant à grande vitesse entre les étoiles de la Voie lactée qui, elles, se déplacent nettement plus lentement. On peut citer le cas de PSR J0002+6216 (J0002 pour les intimes), dont Futura avait longuement parlé dans un précédent article et dont la vitesse lui permettra de quitter notre Galaxie.

2. Une étoile à neutrons sur le point de débuter dans quelques dizaines d'années la traversée du Système solaire aurait-elle pu passer inaperçue jusqu'à aujourd'hui ?

Très rapidement après sa création, la surface d'une étoile à neutrons se refroidit et sa température devient un peu inférieure à un million de degrés, ce qui reste tout de même non négligeable puisque celle du Soleil, pour une masse égale, est d'environ 6.000 kelvins. Mais si le rayon de notre étoile est d'un peu moins de 700.000 kilomètres, celui d'une étoile à neutrons est d'environ 10 kilomètres et parfois moins. La luminosité d'une étoile étant proportionnelle à la quatrième puissance de sa température et à sa surface, une étoile à neutrons typique serait des dizaines de fois moins brillante que le Soleil et surtout sa luminosité serait centrée sur le domaine des rayons X. Elle n'aurait donc probablement pas été détectée et surtout identifiée comme telle avant l'essor de l'astronomie X, il y a environ un demi-siècle.

Par contre, contenant au moins une masse solaire, son influence devrait sans doute déjà être considérable sur les mouvements des géantes de glace que sont Uranus et Neptune. Il faudrait faire un calcul précis mais il est possible qu'il montre que déjà du temps de Le Verrier, le découvreur de Neptune, on aurait mis en évidence sa présence si elle était déjà suffisamment proche du Système solaire.

Sinon, comme indiqué par un lien dans l'article, le concept d'objet de Thorne-Zytkow est tout à fait sérieux.

Une nouvelle d'Asimov inspiré par le père de la bombe atomique ?

Pour terminer, ce poisson d'avril est partiellement inspiré de la nouvelle d'Isaac Asimov parue en 1941 sous le titre de Super-Neutron. Le Bon Docteur, visiblement très au courant des récentes spéculations sur les supernovae, le concept d'étoiles à neutrons et les découvertes en physique nucléaire mettait déjà en scène un objet visiblement inspiré par ces spéculations.

Le physicien Robert Oppenheimer. © American Academy of Achievement

En effet, les travaux sur les étoiles à neutrons débutent peu de temps après la découverte par Chadwick du neutron en 1932. Walter Baade et Fritz Zwicky commencèrent à spéculer sur ces astres composés de neutrons, avant de faire le lien avec les supernovae, dans les années qui suivirent.

Dès 1938, Lev Landau propose alors l'existence de cœurs de neutrons, libérant de l'énergie par désintégration radioactive à l'intérieur des étoiles. L'idée se révélera fausse mais elle intrigue rapidement Robert Oppenheimer qui, en 1939, va alors poser le socle sur lequel les théories des étoiles à neutrons et celle de l'effondrement gravitationnel conduisant à la formation d'un trou noir seront construites à la fin des années 1950 et au début des années 1960. Il s'agit des articles écrits en collaboration avec ses étudiants de l'époque : « On Massive Neutron Cores », avec Georges Volkoff, et « On Continued Gravitational Contraction », avec Hartland Snyder.

Pour en savoir plus

Article de Laurent Sacco publié le 01/04/2021

Quels rapports entre une étoile à neutrons et le mystérieux objet interstellaire ʻOumuamua ? Une réponse rapide serait l'hypothétique planète 9 et le flux anormal d'antimatière dans le Système solaire détecté notamment par le détecteur AMS 02 à bord de l'ISS et dont Futura parlait déjà dans le précédent article ci-dessous. Sans nul doute, les lecteurs ou lectrices penseront qu'ils ne sont pas plus avancés par cette réponse qui reste tout aussi énigmatique.

Qu'ils se rassurent, il ne s'agit pas d'un koan zen et tout va bientôt s'éclairer. Commençons par quelques rappels concernant la planète 9 dont l'existence est toujours fortement questionnée. On en parle régulièrement depuis quelques années, suite à la publication de deux astronomes du célèbre Caltech, Konstantin Batygin et Mike Brown, en poste donc dans la vénérable institution où ont été professeurs plusieurs prix Nobel de physique dont Richard Feynman et Kip Thorne.

L'article des deux hommes avançait qu'une planète contenant environ 10 fois la masse de la Terre était probablement en orbite, autour du Soleil, à environ 200 unités astronomiques. Très peu lumineuse et se déplaçant très lentement sur la voûte céleste, pour des observateurs sur Terre - à cause de l'une des lois de Kepler -, elle n'avait donc pas encore été repérée et ce, même en ce début du XXIe siècle.

L'existence d'une neuvième planète principale dans le Système solaire avait été déduite à partir de la présence de plusieurs dizaines de petits corps célestes, appelés des objets transneptuniens (TNO, en anglais Transneptunian Objects) ; ce sont des corps du Système solaire dont l'orbite est entièrement, ou en majeure partie, au-delà de celle de la planète Neptune et dont certains font donc partie du nuage d'Oort. Ces corps se trouvaient sur des orbites elliptiques dont les caractéristiques ne semblent pas compatibles avec des distributions dues au hasard. Cela pouvait donc traduire l'existence d'un corps massif dont le champ de gravitation forçait ces corps à adopter des orbites quelque peu singulières.

Récemment, l’hypothèse que la planète 9 soit en fait peut-être un trou noir primordial a aussi été avancée.

Schéma illustrant la formation de ʻOumuamua basée sur le scénario de Zhang et Lin, un petit corps céleste passant trop près d'une étoile, par exemple une naine blanche, et qui est étiré puis détruit par les forces de marée. © Naoc, Y. Zhang

Passons maintenant au cas de ʻOumuamua, sa forme très allongée permet de penser qu'elle est le résultat du passage d'un petit corps céleste, astéroïde ou comète, trop proche d'un autre beaucoup plus massif. Pour être plus précis, le passage en question se serait produit dans une région où les forces de marée sont très importantes, ce qui aurait étiré et fragmenté le petit corps céleste, un peu comme dans le cas de ce qui s'est passé quand la comète Shoemaker-Levy 9 s'est trop approchée de Jupiter.

On peut imaginer par exemple que ʻOumuamua est le résultat de forces de marée exercées par un trou noir, une naine blanche ou justement une étoile à neutrons sur un bloc d’azote gelé, éjecté par une collision passée de la surface d’une planète naine du Système solaire tel Pluton.

Une superterre, un trou noir ou une étoile à neutrons ?

Lors d'un récent séminaire sur Zoom, un étudiant en thèse du Caltech, Gilbert Hayes, a annoncé récemment qu'il était parvenu à une intrigante conclusion en réexaminant les calculs de Konstantin Batygin et Mike Brown à la lumière des derniers résultats de campagnes de recherche de la planète 9, qui ont conduit à un raffinement des mesures concernant les paramètres orbitaux de plusieurs populations de TNO.

La conclusion brutale de Gilbert Hayes est qu'au lieu d'une planète 9 ou d'un trou noir primordial d'une masse de seulement 10 fois celle de la Terre, une étoile à neutrons de quelques masses solaires serait actuellement en approche du Système solaire en ayant traversé le nuage de Oort. Elle pourrait n'être qu'à quelques décennies d'entrer dans le Système solaire interne et en tenant compte de la trajectoire de ʻOumuamua, celui-ci pourrait fort bien être passé très près de l'étoile à neutrons en question, ce qui est parfaitement cohérent dans le scénario avec les forces de marée expliquant sa forme.

On sait que des étoiles à neutrons sont des sources de positrons, les antiparticules des électrons, et cela fait des années maintenant que l'on a proposé que le flux anormal de ces particules, mis en évidence avec AMS, pourrait bien signaler justement la présence d'une telle étoile, encore non détectée, proche du Système solaire. Beaucoup d'étoiles à neutrons sont des pulsars mais il suffit que le faisceau collimaté d'ondes radio émis ne coupe pas l'orbite de la Terre pour qu'il ait échappé aux radioastronomes.

Lors du séminaire, certains ont fait remarquer, non sans faire grimper la tension, qu'on ne pouvait pas ne pas penser que si tel était bien le cas, l'étoile à neutrons en question pourrait bien finir par entrer en collision avec le Soleil. Bien que de quelques dizaines de kilomètres de diamètre seulement, l'astre compact pourrait avoir un effet dévastateur, déjà en transformant notre Soleil en objet de Thorne-Zytkow.

Il s'agit d'une prédiction remontant à 1975 et que l'on doit au prix Nobel Kip Thorne et à l'astrophysicienne Anna Zytkow. À l'origine, il s'agissait de considérer ce qui se passait si une étoile à neutrons pénétrait les couches d'une géante rouge formant un système binaire avec elle. Mais on peut transposer le modèle au cas envisagé par les chercheurs lors du séminaire. En accrétant de la matière, l'étoile à neutrons va déstabiliser le Soleil, conduisant à son explosion en supernova et faisant probablement naître un trou noir.

Une fois la pandémie suffisamment maîtrisée grâce à la vaccination, un colloque sur ce sujet est prévu et sera organisé par l'University of Antarctica (UANT).


Geminga, le pulsar proche de la Terre, nous bombarderait d'antimatière

Des observations menées pendant une décennie avec le télescope gamma en orbite de la Nasa, Fermi, montrent que le pulsar Geminga est entouré d'un important halo de positrons. Comme il n'est qu'à environ 800 années-lumière du Système solaire, une part importante du flux d'antimatière qui bombarde la Terre pourrait fort bien provenir de ce pulsar gamma.

Article de Laurent Sacco, publié le 20 décembre 2019

Une carte des sources gamma à une certaine énergie dressée avec les observations du satellite Fermi. © Nasa

Lorsque Paul Dirac a découvert en 1928 une généralisation relativiste de l'équation de Schrödinger décrivant un électron, il découvrit également que non seulement elle prédisait le spin et le moment magnétique de cette particule à partir de considérations relevant largement des mathématiques pures, mais aussi l'existence de nouvelles particules d'énergies négatives pour les mêmes raisons. Deux ans plus tard, il trouve une solution aux difficultés impliquées par ces nouvelles particules en posant les bases de la théorie moderne de l’antimatière. Il pense alors que les protons, d'énergie et de charge positive, sont les nouvelles particules de son équation dans certaines situations. Son équation prédisait une masse identique à celle de l'électron mais, répugnant à vraiment postuler l'existence d'une toute nouvelle particule élémentaire jamais encore observée, il pensait que la masse presque 2.000 fois supérieure du noyau de l'hydrogène était due à des interactions encore difficiles à calculer dans le domaine de l'électrodynamique quantique relativiste qu'il explorait alors.

En 1932, le physicien Carl Anderson va finalement découvrir dans les rayons cosmiques un exemple des particules exotiques de Dirac qui se comporte comme un électron, même masse, spin, etc., mais avec une charge positive. Le tableau des particules élémentaires se complique, mais c'est finalement un nouveau triomphe pour Dirac et aussi pour Platon et Pythagore puisque l'existence de ce qui est désormais appelé le positron repose sur des considérations de mathématiques très abstraites, la théorie des matrices et des spineurs, et l'existence de racines carrées négatives pour l'énergie quantique d'une particule d'après la théorie de la relativité restreinte.

Une carte du ciel dans le domaine des rayons gamma obtenue par le satellite Fermi. Plusieurs sources sont indiquées, dont les pulsars du Crabe, Vela et Geminga. Le disque de la Voie lactée est bien visible par la tranche. © Nasa

De l'antimatière produite par la matière noire ?

L'étude des particules d'antimatière dans les rayons cosmiques s'est poursuivie, d'autant plus que parmi les théories quantiques relativistes modernes impliquant l'existence des fameuses particules de matière noire, parfois là aussi sur des bases presque de pures mathématiques en liaison avec la théorie de la relativité (en l'occurrence la supersymétrie et même la supergravité), certaines prédisent que ces particules peuvent s'annihiler avec leurs propres antiparticules en donnant des électrons et des positrons.

Or, dans le cadre du Modèle cosmologique standard avec des particules de matière noire, on pouvait alors s'attendre à observer en orbite autour de la Terre dans le flux de rayons cosmiques primaires un excès de particules d'antimatière, en l'occurrence des positrons, à certaines énergies, trahissant la présence des particules de matière noire dans la Voie lactée, principalement dans son cœur. De fait, un tel excès a bien été observé, notamment par le détecteur AMS 02 à bord de l'ISS.

Malheureusement, comme le pensaient plusieurs chercheurs depuis des années, un article publié dans Physical Review D et disponible en accès libre sur arXiv vient renforcer l'hypothèse que les anomalies observées dans le flux d'antimatière bombardant la Terre seraient en fait dues à des processus astrophysiques ordinaires, principalement les pulsars proches du Système solaire.

Geminga, le pulsar gamma et son halo d'antimatière. 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

Un groupe d'astrophysiciens italiens a en effet analysé les observations menées depuis une décennie en astronomie gamma par le satellite Fermi concernant une source bien connue appelée Geminga, découverte en 1972 avec le Small Astronomy Satellite 2. Elle avait été observée en direction de la constellation des Gémeaux, mais il a fallu attendre les mesures dans le domaine des rayons X, réalisées en 1991 à l'aide du satellite Rosat, pour comprendre que l'on était en présence d'un pulsar gamma situé à seulement 815 années-lumière du Système solaire.

PSR J0633+1746, c'est son nom technique, n'est pas visible dans le domaine radio mais on peut le voir pulser en rayons X (pour la petite histoire Geminga est à la fois un jeu sur l'expression « source de rayons gamma Gemini » et l'expression « il n'y a rien là » dans le dialecte de Milan, en Italie, car se référant à l'incapacité des astronomes de trouver l'objet en radio) et c'est l'un des pulsars gamma les plus brillants dans le ciel.

Un halo de positrons trahi par des photons gamma

Mattia Di Mauro et ses collègues ont découvert que Geminga était en fait entouré d'un halo gamma ovale plus grand qu'on ne l'imaginait d'après de précédentes observations dans le domaine des rayons gamma à des énergies plus élevées, en l'occurrence avec l'instrument High-Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC). Comme l'avait expliqué Aurélien Barrau sur le blog que Futura a mis à sa disposition, les observations de HAWC n'étaient alors pas favorables à ce qu'il soit une source de positrons importante. Mais en mettant en évidence un halo dont la taille sur la voûte céleste est 40 fois plus grande que celle de la pleine lune sous le regard de Fermi, les conclusions que l'on peut en tirer changent la donne car ses caractéristiques sont celles prédites sur ordinateur avec un large nuage de positrons entrant en collision avec des photons à basses énergies, ce qui leur donne par effet Compton inverse plus d'énergie au point qu'ils deviennent des photons gamma.

Selon les chercheurs, il est alors possible d'expliquer au moins 20 % des positrons du flux anormal mesuré avec AMS 02 par des émissions de ces particules dans le milieu interstellaire par Geminga. Comme il n'est pas possible de retracer exactement l'origine de ces positrons car ils sont déviés chaotiquement par les champs magnétiques de la Voie lactée (techniquement ils doivent donc se déplacer selon les lois d'une marche aléatoire, comme on dit en physique) et qu'il doit exister d'autres pulsars proches du Soleil mais encore non détectés, il est donc difficile de ne pas arriver à la conclusion que le bombardement d'antimatière que subit la Terre avec les positrons observés ne signale probablement pas l'existence indirecte de particules de matière noire.

Une présentation des pulsars et des particules qu'ils produisent, électrons, positrons, photons gamma et radio. 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

Il n'est pas difficile de comprendre l'origine des positrons produits par les pulsars. Pour cela, il faut se souvenir qu'il s'agit de cadavres stellaires, le point final de l'évolution de certaines étoiles qui ont explosé en supernova SN II tout en s'effondrant gravitationnellement et en donnant ce qui est appelé des étoiles à neutrons. Ces étoiles tournent sur elles-mêmes et possèdent un intense champ magnétique dipolaire comme celui de la Terre ou du Soleil. Ce dipôle peut être incliné ou non par rapport à l'axe de rotation de l'astre qui tourne dans son champ magnétique. Un effet relativiste conduit ce champ magnétique à se comporter comme un champ électrique très intense à la surface des étoiles à neutrons. Ce champ arrache et accélère des électrons qui vont se déplacer dans le champ magnétique et produire en cascade des paires électron-positron via des collisions avec les photons du rayonnement également produit par les pulsars.

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