Étoiles à neutrons et pulsars

Qu'est-ce qu'une étoile à neutrons ?

Quand une étoile de plus d'environ huit fois la masse du Soleil épuise son combustible, son cœur s'effondre lors d'une supernova. Si le cœur restant pèse entre environ 1,4 et 2 masses solaires, il devient une étoile à neutrons.

Pendant l'effondrement, la gravité écrase les électrons dans les protons et les transforme en neutrons, des particules sans charge électrique. Le résultat est en somme un noyau atomique géant, maintenu par la gravité plutôt que par les forces nucléaires.

Si le cœur est encore plus lourd, rien ne peut arrêter l'effondrement et il devient un trou noir. Les étoiles à neutrons sont la dernière étape avant ce seuil.

Petites, lourdes et extrêmes

Une étoile à neutrons typique ne mesure qu'environ 20 km de diamètre, à peu près la taille d'une ville, et pourtant elle contient plus de masse que le Soleil tout entier. Un morceau de sucre de sa matière pèserait à peu près autant que tous les humains de la Terre réunis, et une cuillère à café peut-être un milliard de tonnes.

La gravité à la surface est si forte qu'un objet lâché d'environ un mètre toucherait le sol à des millions de km/h. La surface serait extrêmement lisse, avec des « montagnes » de moins de 2,5 cm de haut.

Comme un cœur qui s'effondre conserve sa rotation en rétrécissant, à la manière d'une patineuse qui ramène ses bras, les étoiles à neutrons nouvellement formées tournent très vite. Leur champ magnétique est lui aussi comprimé jusqu'à des milliers de milliards de fois celui de la Terre.

Les pulsars : des phares cosmiques

En 1967, Jocelyn Bell Burnell, alors doctorante à Cambridge, remarqua dans les données de son radiotélescope un étrange « petit gribouillis » régulier : des impulsions arrivant toutes les 1,34 seconde. Le signal était si régulier que l'équipe le surnomma en plaisantant LGM-1, pour « little green men », les petits hommes verts.

D'autres sources furent bientôt trouvées, et les astronomes comprirent qu'il s'agissait d'étoiles à neutrons en rotation. Des faisceaux d'ondes radio jaillissent près des pôles magnétiques, et quand ces pôles sont inclinés par rapport à l'axe de rotation, les faisceaux balaient l'espace. Si l'un d'eux croise la Terre, nous voyons une impulsion à chaque tour.

Certains pulsars tournent quelques fois par seconde ; les « pulsars millisecondes », accélérés en volant du gaz à une compagne, font des centaines de tours par seconde. Leurs battements sont si réguliers qu'ils rivalisent avec les horloges atomiques, et les astronomes en utilisent des groupes pour rechercher de lentes ondulations de l'espace-temps.

Les magnétars

Un magnétar est une étoile à neutrons dont le champ magnétique est environ mille fois plus intense que celui d'une étoile à neutrons ordinaire, le plus fort connu. Un tel champ pourrait effacer une carte bancaire depuis la moitié de la distance Terre–Lune et déformer les atomes près de l'étoile.

Des tensions dans la croûte peuvent céder brusquement et libérer de soudaines bouffées de rayons X et gamma. En décembre 2004, une éruption géante d'un magnétar appelé SGR 1806−20, à environ 50 000 années-lumière, a été assez puissante pour affecter de façon mesurable la haute atmosphère terrestre.

Les magnétars sont aussi liés à certains sursauts radio rapides, des éclairs radio brefs et très intenses. En 2020, l'un d'eux a été attribué à un magnétar situé dans notre propre galaxie.

GW170817 : quand deux étoiles à neutrons sont entrées en collision

Le 17 août 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré des ondes gravitationnelles, de minuscules ondulations de l'espace lui-même, émises par deux étoiles à neutrons spiralant l'une vers l'autre à environ 130 millions d'années-lumière. Environ 1,7 seconde plus tard, le satellite Fermi de la NASA captait un bref sursaut de rayons gamma venu de la même région du ciel.

En quelques heures, des télescopes ont trouvé un nouveau point lumineux dans la galaxie NGC 4993. C'était une kilonova, une lueur alimentée par la matière radioactive projetée lors du choc, observée dans toute la gamme de la lumière, des rayons gamma aux ondes radio.

Les spectres ont montré que de telles fusions créent des éléments lourds, probablement dont l'or et le platine. C'était la première fois qu'un même événement cosmique était étudié à la fois par les ondes gravitationnelles et par la lumière, un domaine aujourd'hui appelé astronomie multimessager.

Peut-on voir une étoile à neutrons ?

Les étoiles à neutrons sont bien trop petites et trop faibles pour être vues individuellement à l'œil nu ou avec un télescope amateur. On peut en revanche observer leur environnement.

La nébuleuse du Crabe (M1), dans le Taureau, abrite un pulsar qui tourne environ 30 fois par seconde ; dans un petit télescope, on voit le nuage lumineux, pas le pulsar. Les grands télescopes professionnels peuvent enregistrer ses clignotements.

De nombreux clubs de radioastronomie et programmes universitaires de vulgarisation permettent au public d'écouter des signaux de pulsars convertis en son, une façon mémorable d'entendre battre une étoile morte.