Les étoiles à neutrons

Le 17 août 2017, les interféromètres LIGO et Virgo ont détecté les ondes gravitationnelles émises vraisemblablement par la collision de deux étoiles à neutrons. Cet évènement a fait beaucoup moins de bruit médiatique que les premières ondes gravitationnelles détectées par LIGO en 2015 lors de la fusion de 2 trous noirs (voir ce billet).

Eh oui, tout le monde connait les trous noirs, ça fait un peu rêver, à la frontière entre réel et science-fiction mais les étoiles à neutrons sont tout aussi intrigantes de par leurs caractéristiques proches de celles des trous noirs, à la différence près que nous pouvons « voir » ces étoiles particulières…

Les étoiles à neutrons sont des cadavres

En tout premier lieu, soyons clairs, les étoiles à neutrons ne sont pas vraiment des étoiles mais des cadavres d’étoiles. En effet, une étoile est définie en astronomie comme un ensemble de gaz aggloméré par gravitation au point de déclencher une réaction de fusion thermonucléaire : les étoiles transforment ainsi l’hydrogène dont elles sont majoritairement composées en hélium.

Quand les étoiles n’ont plus assez de combustible, c’est la mort de l’étoile. Si cette dernière est assez grosse, au moins 8 fois plus grosse que notre soleil, cette mort se manifeste sous forme d’une supernova, c’est-à-dire une gigantesque explosion très lumineuse dans le ciel qu’on peut même parfois voir en plein jour. Plus l’étoile est grosse, plus la supernova est impressionnante.

La supernova la plus connue: la nébuleuse du crabe, prise par le télescope spatial Hubble.

Toute la matière de l’étoile originelle est alors dispersée aux alentours (c’est d’ailleurs la raison pour laquelle vous pouvez dire que « votre grand-mère est une super nova », explication ici) et dans le cas des plus grosses étoiles, cette supernova peut donner naissance à une étoile à neutrons, voire à un trou noir si l’étoile est encore plus grosse. En gros, l’étoile à neutrons est l’objet céleste le plus dense qu’il nous est donné de voir, à la limite du trou noir où la densité de matière ne permet plus à la lumière de s’échapper.

A quoi ressemble une étoile à neutrons

Les chiffres des étoiles à neutrons peuvent donner le vertige. L’étoile à neutrons n’est pas très grande, on peut même dire qu’elle est ridiculement petite pour un objet céleste, soit un peu plus de 20 kilomètres de diamètre mais sa masse est comprise entre 1,4 et 3,3 fois celle du soleil (1,5 milliards de milliards de milliards de tonnes). Si vous en preniez un centimètre cube, un petit dé à coudre, il pèserait environ 1 milliard de tonnes !! Enfin, vous avez compris, une étoile à neutrons, ce n’est pas très gros mais c’est lourd !

Les étoiles à neutrons ne sont pas exclusivement faites de neutrons. Une telle étoile est composée de plusieurs couches, qui sont de plus en plus denses quand on se rapproche de son centre. Les chercheurs sont assez d’accord pour les couches externes mais ça se corse pour le centre de l’étoile où la physique actuelle commence à toucher ses limites. Selon la masse de l’étoile, certains chercheurs pensent que plusieurs compositions sont possibles avec pas moins de 6 variantes mais ces structures peuvent être sujet à débat (étoiles à neutrons classiques, étoiles à neutrons avec condensat de pions, étoiles à quarks, étoiles étranges, étoiles à nucléons, étoiles à hypérons).

Les différentes couches d’une étoile à neutrons avec les différentes variantes pour le centre (W. Becker).

Pulsars et magnétars

Les étoiles à neutrons tournent sur elles-mêmes à grande vitesse et cette rotation s’accompagne d’un intense jet de lumière radiofréquence dans un axe bien particulier à chaque rotation de l’étoile : on parle alors de pulsar qui « pulse » cette lumière régulièrement. Ces astres sont comme les phares de l’univers qui balayent l’hyper-espace de leurs faisceaux lumineux intenses à fréquences fixes.

On trouve des pulsars dans des restes de supernovas, le plus célèbre étant le pulsar de la nébuleuse du Crabe, né de l’explosion d’une étoile massive. Cette supernova fut observée par les astronomes chinois depuis le matin du 4 juillet 1054, en plein jour pendant trois semaines et durant la nuit pendant près de deux ans.

La rotation de l’étoile à neutrons, jusqu’à près de 100 tours par seconde, génère un champ magnétique titanesque qui peut atteindre 100 milliards de teslas. A titre de comparaison, le plus puissant aimant fabriqué par l’homme génère un champ d’environ 20 teslas et le champ magnétique de la Terre est de 45 millionièmes de teslas… On parle alors de magnétar (abbréviation de magnetic star = étoile magnétique).

Evolution comparée des vitesses de rotation d’une étoile à neutrons isolée, dans un système binaire et d’un magnétar. (source)

Il arrive aussi qu’une étoile à neutrons tourne autour d’une autre étoile, c’est un système binaire. Si cette deuxième étoile, aussi appelée compagnon, est également une étoile à neutrons, c’est un pulsar double, mais un seul objet de ce type a été découvert à ce jour. Ces objets sont fondamentaux pour les physiciens car ils permettent de valider des théories comme la relativité générale dans des cas extrêmes. Jusqu’à présent, Einstein tient bon : la relativité générale n’a jamais été mise en défaut et ces nouvelles détections d’ondes gravitationelles produites lors de la colascence de 2 trous noirs ou 2 etoiles a neutrons sont un succès.