Des éruptions des étoiles à neutrons sont 10 à 100 fois plus violentes qu’on ne le pensait

Avant que l’on ne découvre théoriquement et expérimentalement (pour autant qu’on le sache) les trous noirs, d’autres astres relativistes tout aussi spectaculaires ont fait d’abord l’objet de l’attention des astrophysiciens. Il s’agit des étoiles à neutrons dont l’existence n’a d’abord été découverte qu’avec celle des pulsars en 1967. Si cette découverte a été possible grâce à l’essor de la radioastronomie, elle fut complétée plus tard par les progrès de l’astronomie X. Encore aujourd’hui, c’est la conjonction de ces deux fenêtres observationnelles dans deux bandes du spectre électromagnétique qui permet en premier lieu d’étudier les étoiles à neutrons. Plus récemment, c’est l’astronomie gamma et finalement, l’astronomie des ondes gravitationnelles, qui intervient en second lieu.

Tout avait commencé au début des années 1930 avec la découverte du neutron et le début des conceptions modernes sur les novae et les supernovae que l’on doit aux astrophysiciens Walter Baade et Fritz Zwicky. Les deux hommes avaient en effet pris conscience qu’il fallait introduire en astronomie une nouvelle catégorie de novae, ces étoiles transitoires très brillantes apparaissant une seule fois dans le ciel pour ensuite disparaitre à jamais et dont certaines ont été observées par les bâtisseurs du ciel qu’étaient Tycho Brahe et Johannes Kepler. Le nom qu’ils proposent alors va faire fortune : supernova. En compagnie de Rudolph Minkowski, astronome et neveu du célèbre mathématicien, Hermann Minkowski, Baade se rend compte que ces supernovae (SN) peuvent également être séparées en deux types, en fonction de leurs raies spectrales et des caractéristiques des courbes de lumière montrant l’évolution dans le temps de leur luminosité. D’autres divisions s’ajouteront mais ces travaux sont à l’origine de la classification moderne avec des SN II et les SN Ia.

Des sphères magnétiques conductrices de la masse du Soleil

Walter Baade et Fritz Zwicky comprennent surtout que certaines supernovae sont des explosions gigantesques accompagnant l’effondrement gravitationnel d’étoiles qui vont devenir des étoiles à neutrons. L’idée est simple, en s’effondrant, la matière est comprimée au point de forcer bon nombre des électrons des atomes à se combiner avec les protons des noyaux, la réaction donnant des neutrons et des émissions de neutrinos très énergétiques. Si l’effondrement ne se poursuit pas en donnant un trou noir, ce qui reste de l’étoile occupe alors un volume sphérique de quelques dizaines de kilomètres de diamètre tout en contenant une masse de l’ordre de celle du Soleil, avec une surface contenant peut-être beaucoup de fer conducteur et très certainement des ions avec des électrons libres.

Un point important à retenir et qu’une étoile possède un champ magnétique et un moment cinétique du fait de sa rotation. Les lois de la physique imposant la conservation du moment cinétique et du flux magnétique, l’étoile à neutrons, en fin d’effondrement après l’explosion en supernova SN II de son étoile génitrice, sera en rotation très rapide et avec un champ magnétique très amplifié.

Mais cela, en 1967, quand Jocelyn Bell fait la découverte de pulsation périodique étrange dans le domaine radio alors qu’elle est en thèse avec Antony Hewish — qui obtiendra le prix Nobel en 1974 à sa place pour cette découverte –, la chercheuse est bien loin de l’avoir à l’esprit. Mais très rapidement, les astrophysiciens Franco Pacini et Thomas Gold vont faire le lien et poser les bases qui conduiront tout aussi rapidement à proposer des modèles pour expliquer le rayonnement radio des pulsars.

Des générateurs radio relativistes

En gros, les choses se passent probablement de la façon suivante. Pour un observateur fixe à la surface d’une étoile à neutrons et même dans ses profondeurs, son mouvement de rotation dans un champ magnétique le conduit à mesurer un champ électrique. C’est une conséquence de la théorie de la relativité restreinte.

Ce champ électrique va donc accélérer les ions et les électrons en surface de l’étoile à neutrons qui se comportent comme un conducteur. L’étoile s’entoure donc d’un plasma avec des courants et qui émet des ondes électromagnétiques. Ces ondes peuvent être si intenses que les photons les composant peuvent produire aussi des paires d’électron-positron qui s’ajoutent au plasma.

L’étoile à neutrons produit donc des flux d’antimatière et les calculs montrent aussi que le rayonnement électromagnétique est principalement émis par deux régions sur l’astre compact et de telle façon qu’il devient une sorte de phare cosmique. Lorsque, par hasard, l’un des faisceaux de ce phare est dirigé vers la Terre sur son orbite, des radiotélescopes comme celui, défunt, d’Arecibo, peuvent le détecter et constater sa variation périodique.

Les étoiles à neutrons sont très denses, ce qui veut dire que leur description nécessite d’utiliser les équations de la relativité générale, contrairement aux étoiles classiques. L’état de la matière au cœur d’une étoile à neutrons nécessite également pour être compris d’utiliser quasiment tout le reste de la physique, en particulier la physique nucléaire et des particules. Ces astres sont donc des laboratoires d’études de toute la physique et permettent de tester des idées et des prédictions de toute sorte.

Une clé pour comprendre les sursauts radio rapides ?

L’un des outils utilisés dans ce but est un instrument monté à l’extérieur de l’Isse et qui est appelé le Nasa’s Neutron star Interior Composition Explorer (Nicer). Futura avait consacré un article entier à ce nouvel œil de l’Humanité en orbite autour de son berceau. Une équipe menée par Teruaki Enoto, un astrophysicien en poste au célèbre institut de recherche japonais au Riken, vient justement de livrer via un article en accès libre sur arXiv les résultats d’études conjointes d’observations dans le domaine de rayons X avec d’autres obtenues dans le domaine radio en utilisant deux radiotélescopes japonais.

C’est le pulsar de la fameuse Nébuleuse du Crabe, située à environ 6.500 années-lumière dans la constellation du Taureau, qui a été étudié de cette manière entre août 2017 et août 2019. L’étoile à neutrons y tourne sur elle-même 30 fois par seconde et aux longueurs d’ondes des rayons X et radio, elle est parmi les pulsars les plus brillants du ciel.

Environ 2.800 pulsars sont catalogués, mais celui du Crabe est l’un des rares auxquels sont associés des impulsions radio géantes (GRP) qui se produisent sporadiquement et peuvent être des centaines à des milliers de fois plus brillantes que les impulsions régulières. Or, ce qu’ont découvert les chercheurs, c’est que certaines de ces impulsions sont clairement associées à une augmentation du flux des émissions X tout comme la même constatation avait été faite dans le domaine visible en 2003 déjà.

L’augmentation n’est que de quelques pourcents mais comme les photons X sont nettement plus énergétiques que les photons radio, ces quanta de lumière impliquent que plusieurs dizaines, voire des centaines de fois plus d’énergie qu’on ne le soupçonnait — en se basant seulement sur les ondes radios et visibles — soient libérées.

Le mécanisme derrière ces émissions conjointes n’est pas encore clair mais comme l’explique la vidéo de la Nasa ci-dessus, cette découverte pourrait nous aider à mieux comprendre certains sursauts radio rapides dont on sait que certains au moins sont associés à des étoiles à neutrons.

Le flash de rayons X le plus puissant jamais observé livre ses secrets

Article de Nathalie Mayer publié le 07/06/2020

L’été dernier, des astronomes ont été les témoins de l’un des phénomènes les plus violents de notre Univers. Une étoile à neutrons, un pulsar accrétant de la matière issue de son étoile compagne. Le tout s’achevant dans l’émission d’un flash de rayons X.

À la fin du mois de juillet dernier, la luminosité – dans le visible – d’un objet mystérieux que les astronomes appellent SAX J1808.4−3658 a commencé à augmenter. Le signal que la communauté scientifique attendait pour braquer sur cette étoile à neutrons, ce pulsar surveillé de près depuis sa découverte en 1996, pas moins de sept instruments différents. Objectif : capter pour la première fois le processus complet qui mène ce type d’objet à émettre un flash de rayons X.

Rappelons qu’une étoile à neutrons, un pulsar, est un astre mort qui se refroidit irrémédiablement. Sauf lorsqu’elle forme un couple avec une autre étoile. Un système binaire qui peut survivre pendant plusieurs milliards d’années. Mais les étoiles à neutrons sont tellement compactes et tournent tellement vite sur elles-mêmes qu’elles ont tendance à aspirer la matière qui constitue leur compagne… tranquillement, pendant des mois, voire des années. Mais, lorsque cette matière entre finalement en collision avec l’étoile à neutrons, cette dernière émet un sursaut de rayons X, résultat d’un emballement thermonucléaire à la surface de l’étoile.

Selon la théorie, un nouvel éclat dans le domaine de l’optique précède de deux à trois jours ce type de flash dans celui des rayons X. Dans le cas de SAX J1808.4−3658, les astronomes ont rapporté, lors de la 236^e réunion de l’American Astronomical Society, qu’ils ont dû patienter douze longs jours, douze jours d’activité concentrée sur le domaine de l’optique, avant d’enfin observer les premières émissions de rayons X.

Du retard à l’allumage

« Observer le phénomène avec plusieurs télescopes sensibles à différentes longueurs d’onde nous a montré que l’activité initiale s’est produite à proximité de l’étoile compagne, sur les bords extérieurs du disque d’accrétion, commente Adelle Goodwin, astronome à l’université Monash (Australie), dans un communiqué. Il aurait fallu ensuite douze jours pour que la matière s’enroule en spirale jusqu’à l’étoile à neutrons et produisent des rayons X. »

Douze jours plutôt que deux ou trois. Les chercheurs pensent que ce délai est dû à l’excès d’hélium observé dans le disque d’accrétion de SAX J1808.4−3658. Habituellement, ces disques sont essentiellement composés d’hydrogène. Celui-ci présente 50 % d’hélium. Or l’hélium a besoin de températures plus élevées pour « brûler ».

Précisons que SAX J1808.4−3658 se situe à quelque 11.000 années-lumière de notre Terre. Elle tourne sur elle-même à la vitesse étourdissante de 400 tours par seconde. Et, au cours de ce sursaut de rayons X, elle a émis une énergie des milliers de fois plus puissante que notre Soleil. Le prochain est prévu pour 2023. Nul doute que l’équipe de l’université Monash sera au rendez-vous pour une nouvelle observation détaillée du phénomène.

Le flash de rayons X le plus puissant jamais observé

À bord de la Station spatiale internationale, la mission Nicer a été le témoin, le 20 août dernier, d’un flash de rayons X d’une exceptionnelle intensité. Un flash issu d’un pulsar situé à quelque 11.000 années-lumière de notre Terre. Et qui, en 20 secondes seulement, a émis autant d’énergie que notre Soleil en 10 jours ! 

Article de Nathalie Mayer paru le 12/11/2019

La mission de Nicer — l’acronyme pour Neutron Star Interior Composition Explorer — est d’étudier la structure interne des étoiles à neutrons. Comment ? En mesurant le rayonnement X émis par ce type d’étoiles. Les astronomes de la Nasa rapportent aujourd’hui que le spectroscope installé à bord de la station spatiale internationale (ISS) a justement enregistré un événement rare. C’était le 20 août dernier. Le flash de rayons X le plus intense qu’il ait jamais observé.

Le phénomène s’est produit alors que Nicer était orienté vers un pulsar baptisé SAX J1808.4-3658 ou, en abrégé, J1808. « Ce sursaut a été exceptionnel », commente Peter Dult, astrophysicien au Goddard Space Flight Center (États-Unis). Les astronomes l’attribuent à une explosion thermonucléaire survenue à la surface du pulsar. Une explosion qui aurait libéré autant d’énergie en 20 secondes seulement que notre Soleil en presque 10 jours !

Pour comprendre les détails du phénomène enregistré, les chercheurs devront étudier les données transmises par Nicer. Car celles-ci révèlent des caractéristiques étranges. « Un changement de luminosité en deux étapes, peut-être causé par l’éjection de couches séparées de la surface du pulsar », raconte Peter Dult. La luminosité du flash s’est en effet stabilisée pendant près d’une seconde après son commencement. Puis, elle a augmenté à un rythme plus lent. Au moment, peut-être où l’énergie de l’explosion a atteint un niveau suffisamment important pour propulser vers l’espace, une couche d’hydrogène accumulée par le pulsar. Deux secondes plus tard, le phénomène a atteint son apogée. Une couche d’hélium a alors été balayée. Elle s’est dilatée, a dépassé la couche d’hydrogène, s’est dissipée, a ralenti et s’est recontractée vers le pulsar. Après cette phase, le pulsar s’est à nouveau brièvement éclairci d’environ 20 %. Et les astronomes ne comprennent pas encore pourquoi.

Dévoiler les secrets des étoiles à neutrons

J1808 se trouve à quelque 11.000 années-lumière de notre Terre, dans la constellation du Sagittaire. Il tourne à pas moins de 401 rotations par seconde ! Il fait partie d’un système binaire et vole constamment de l’hydrogène à son compagnon naine brune. Il forme ainsi autour de lui, un disque d’accrétion qui, régulièrement, devient tellement dense qu’il s’ionise. La lumière peine alors à s’échapper de ce disque. L’énergie ainsi piégée déclenche un processus de chauffage et d’ionisation qui emprisonne encore plus d’énergie.

L’hydrogène se met alors à tourner en spirale vers l’intérieur du système pour finalement tomber sur le pulsar. Il forme ainsi une sorte de mer de gaz de plus en plus profonde. Températures et pressions augmentent et l’hydrogène finit par fusionner pour former de l’hélium, libérant aussi de l’énergie. « Cet hélium forme une couche à part », raconte Zaven Arzoumanian, astrophysicien. « Lorsque cette couche atteint quelques mètres de profondeur, les noyaux d’hélium fusionnent pour former du carbone. Et l’hélium explose en libérant une intense, mais brève, boule de feu thermonucléaire à travers toute la surface du pulsar. »

Pour décrire l’intensité maximale du rayonnement qui peut alors être émis par une étoile à neutron, les chercheurs font appel à un concept baptisé « limite d’Eddington ». Une limite qui dépend fortement de la composition de la source. « Ici, il semble bien que nous ayons observé la limite d’Eddington pour deux compositions différentes dans le même flash de rayons X. Un moyen direct de suivre les réactions nucléaires à la base du phénomène », explique Deepto Chakrabarty, physicien au Massachusetts Institute of Technology (États-Unis).

Flash de rayons X détecté par l’ISS

L’instrument spatial Maxi a détecté au cours du mois d’octobre une émission anormale de rayons X provenant de la Voie lactée. Les astronomes recherchent l’étoile à neutrons ou le trou noir qui pourrait en être l’auteur.

Article de Jean-Baptiste Feldmann paru le 27/10/2010

Maxi (Monitor of All-Sky X-Ray Image) est un détecteur de rayons X, installé à bord de la Station spatiale internationale (ISS) en juin 2009 par la mission de maintenance STS-127. Il s’agit d’une caméra très sensible (réalisée par la Jaxa, l’Agence spatiale japonaise), située sur le module Kibo, destinée à surveiller les sources X sur l’ensemble du ciel.

Alors que les images réalisées par Maxi le 12 octobre dernier ne montraient rien de particulier dans la constellation du Centaure, une source de rayons X a commencé à briller cinq jours plus tard. Alertés, les astronomes ont alors pointé à nouveau le télescope Swift de la Nasa dans cette direction. Swift, en orbite terrestre depuis la fin de l’année 2004, est habituellement chargé de la surveillance des sursauts gamma. Il avait détecté en avril dernier le plus ancien sursaut gamma connu, GRB 090423.

Coup double pour Maxi

La nouvelle source de rayons X repérée dans la constellation du Centaure a été dénommée Maxi J1409-619. Elle semble correspondre à une source détectée une dizaine d’années auparavant par le satellite italo-américain Beppo-Sax, mais cette fois l’émission est cinquante fois plus forte. Selon David Burrows, professeur au Penn State College et responsable du télescope Swift, l’émission de rayons X observée est probablement provoquée par une étoile à neutrons ou un trou noir qui arrache épisodiquement de la matière à une étoile massive à proximité. Le phénomène devrait durer quelques semaines ou quelques mois avant que le calme ne revienne dans ce coin de ciel.

C’est la seconde fois en quelques jours que l’instrument Maxi détecte une source de rayons X. Le 25 septembre dernier, il avait découvert la source Maxi J1659-152 dans la constellation d’Ophiuchus. De telles sources d’émission sont nommées novae à rayons X par les astronomes car même si elles n’ont pas de contrepartie dans le domaine visible, leur brutale augmentation d’émission rappelle les novae, ces étoiles nouvelles qu’on découvre parfois, comme V458 Vulpeculae.