Impression d'artiste du système d'étoile triple PSR J0337+1715, qui est situé à environ 4.200 années-lumière de la Terre. Ce système fournit un laboratoire naturel pour tester les théories fondamentales de la gravité. © SKA organization

Sciences

Qu'est-ce qu'un pulsar ?

Question/RéponseClassé sous :Etoile à Neutrons , Pulsar , Supernova

Les pulsars sont des cadavres d'étoiles détectés initialement en radioastronomie sous forme d'impulsions radios régulières, tels des phares cosmiques. Les astrophysiciens les étudient depuis leur première découverte en 1967 par Jocelyn Bell, dans la constellation du Petit Renard, à un peu plus de 2.000 années-lumière du Soleil. On en connait aujourd'hui bien d'autres dans la Voie lactée comme les célèbres pulsars du Crabe et Vela PSR B0833-45 plus connu sous le nom de pulsar des Voiles (parfois pulsar de Vela, d'après le nom latin des Voiles).

Ils ont été en fait étudiés théoriquement bien avant 1967 et leur première observation 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 étoile à neutrons a ensuite été donnée en 1939 par Oppenheimer et Volkkoff, et c'est vers la fin des années 1960 que les astrophysiciens Franco Pacini et Thomas Gold, respectivement italien et britannique, comprennent que ces objets peuvent se comporter comme les pulsars de Jocelyn Bell.

Les pulsars, des étoiles mortes laissées par des explosions de supernovae

Point final de l'évolution de certaines étoiles d'au moins 8 à 10 masses solaires qui ont explosé en supernova SN II 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 (un cm3 pèse environ un milliard de tonnes), 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.

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

Comme leur nom l'indique, les pulsars (contraction de pulsating stars en anglais, c'est à dire « étoiles pulsantes ») émettent donc des ondes radio à un rythme rapide et régulier, à tel point que l'on a pensé un temps qu'il s'agissait d'émissions d'une civilisation E.T.

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.

L’agence spatiale russe Roscosmos (Роскосмос en russe) vient justement de mettre en ligne une vidéo mettant en scène, en quelque sorte, la musique des pulsars étudiés avec RadioAstron. Ces astres donnent en effet lieu à des impulsions électromagnétiques périodiques dont certaines ont des périodes de l’ordre de la seconde et qui peuvent donc être transposées en ondes sonores audibles. La vidéo montrant les coordonnées astronomiques de 10 pulsars observés par RadioAstron avec leurs périodes en seconde. © Роскосмос ТВ

Les pulsars et la relativité générale

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.

Les pulsars formant un système binaire sont des émetteurs d'ondes gravitationnelles et permettent plus généralement de tester les effets de la relativité générale. Un tel système binaire a d'ailleurs permis, pour la première fois, de faire la détection indirecte de ces ondes gravitationnelles. En 1993, il a valu le prix Nobel de physique à Russell Hulse et Joseph Taylor, physiciens qui, en étudiant le pulsar binaire PSR B1913+16, détectèrent une perte d'énergie associée aux mouvements du pulsar et de son étoile à neutrons, compagne équivalente à celle contenue dans la quantité d'ondes gravitationnelles prédite par la relativité générale et rayonnée pendant la même période de temps. En clair, la taille de l'orbite du pulsar et sa période de révolution diminuaient en accord avec la perte d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. C'est pour cette raison que l'on chasse des collisions d'étoiles à neutrons avec les détecteurs Ligo et Virgo car cette perte d'énergie va finir par causer ces collisions. L'étude des pulsars se fait également avec les amateurs de science via Einstein@home.

Jocelyn Bell Burnell, lauréate en 2018 du Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics explique dans cette vidéo sa découverte des pulsars en 1967 et sa carrière remarquable en physique. 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 ». © Perimeter Institute for Theoretical Physics

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