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La mort des étoiles : Pulsars : les radiophares de l'espace
Posté par didier le 31/05/2009 16:00:00 (2316 lectures)

Etoile à neutrons

Un objet simultanément très chaud (plusieurs centaines de milliers de Kelvin, soit bien plus qu'une étoile de la séquence principale) et très peu lumineux ne peut être, d'après la loi de rayonnement du corps noir, qu'extrêmement petit. C'est ainsi qu'ont été identifiées les étoiles à neutrons, rayonnant l'essentiel de leur énergie dans les domaines X et gamma.

 Etoiles à neutrons (photo)

etoileneutrons.jpg 

Etoile à neutrons RX J185635-3754. Elle a été découverte d'abord par son émission X, puis identifiée par le télescope Hubble. Magnitude apparente visible de 25. Estimation du diamètre : 28 km ; de la température : 600 000 K.

Crédit :
HST


Pulsars

Pulsar (photo)

crabpulsar.jpg 

Pulsar du Crabe, résidu de la supernova de 1054.

Crédit : HST

Un pulsar (de l'anglais pulsating radio source) correspond à une étoile à neutrons dont on observe le rayonnement électromagnétique modulé par la rotation rapide. La rapidité de la période de rotation observée provient du très petit rayon de l'étoile à neutrons.
Le faisceau du pulsar correspond au rayonnement synchrotron des électrons accélérés le long des lignes de champ magnétique. C'est ce phénomène de pulsar qui a conduit à la découverte des premières étoiles à neutrons.

Neutron et étoiles à neutron

L'existence des étoiles à neutrons a été supposée dès l'identification du neutron, comme résidus de supernova.

Bousculade

Au delà de la masse de Chandrasekhar, la pression de Fermi des électrons ne peut plus soutenir l'étoile. La contraction conduit les électrons à flirter intensément avec les protons. L'interaction nucléaire faible est alors sollicitée : elle transforme un proton et un électron en un neutron.

Neutronisation

Néanmoins, la réaction de neutronisation :
- p + e - → n + νe
est impossible au repos, car le bilan de masse ne lui est pas favorable. En effet, l'énergie de masse de l'électron (0.5 MeV) apparaît bien inférieure à la différence d'énergie de masse entre proton et neutron (1.3 MeV).
Néanmoins, lorsque les électrons deviennent relativistes, leur énergie totale peut dépasser ce niveau nécessaire de 1.3 MeV (atteint pour une vitesse de 0.92 c). La réaction de neutronisation devient alors possible. C'est cette condition sur la vitesse des électrons qui se traduit par le seuil de masse correspondant à la masse de Chandrasekhar.
blanche.png

Conséquences

Les neutrons, qui sont aussi des fermions, prennent la relève pour assurer l'équilibre de l'étoile. En effet, comme ils sont beaucoup plus massifs, ils ne sont pas relativistes, et leur pression de Fermi s'exprime comme :
2 ( ) ¯h ρ 5∕3 Pdeg,n = 2 ----- (-----) mn mn
Elle varie donc en fonction du rayon comme -5 R . On assiste alors à un nouvel équilibre, atteint pour un rayon bien plus petit que pour une naine blanche, en raison du facteur me∕mn ≃ 1 ∕2000 .
Ce nouvel équilibre se caractérise par un rayon, estimé en km :
R = 15 (Msol/M)1/3

Masse volumique

Dans ces conditions, la masse volumique atteint des valeurs gigantesques :
ρ ≃ 1018 kg m - 3 ⋆neutron
On retrouve en fait la masse volumique de la matière nucléaire. L'étoile à neutrons est analogue à une noyau surdimensionné de nombre de masse 57 A≃2 10 .

Pendant que l'étoile vole en éclats, son coeur s'effondre. Quel est le destin ultime de ce coeur ?  A nouveau, la réponse dépende de sa masse. Si celle-ci est inférieure à environ trois fois la masse du Soleil (la masse totale de l'étoile, incluant les couches supérieures et l'enveloppe, correspondrait alors à quelque 25 masses solaires), son coeur reste à l'état d'étoile faite entièrement de neutrons comprimés dans une sphère de 10 kilomètres de rayon, soit environ la taille de Paris. Le mot étoile est ici trompeur , car les réactions nucléaires se sont arrêtées depuis belle lurette. La masse de quelques soleils s'entassant dans un si petit volume, la densité est fantastique : elle atteint un million de milliard de grammes par centimètres cube, soit un milliard de fois plus que dans une naine blanche. Une cuillerée d'étoile à neutron pèserait un milliard de tonnes : autant que la chaîne de l'Himalaya. La surface d'une étoile à neutrons étant solide, vous pourriez y tenir debout. Mais vous n' y seriez pas très à l'aise : d'une part il y fait très chaud, de l'ordre de 50 000 °C, d'autre part la gravité ne vous y ferait pas de cadeau : si vous pesez 70 kg, la gravité de l'étoile à neutrons ferait que vous y pèseriez un million de tonnes. Les forces électromagnétiques qui donnent forme à votre squelette et à votre corps ne pourraient résister à un tel poids, et la force de gravitait vous aplatirait jusqu'à atteindre environ dix fois la taille d'un atome soit bien moins que l'épaisseur d'une des pages d'un livre...

L'étoile à neutrons n'est-elle qu'une entité théorique née de l'imagination fertile des astrophysiciens ?
Pas le moins du monde. La première étoile à neutrons a été découverte par hasard dans le ciel en 1967. Deux astronomes anglais, Jocelyn Bell et Anthony Hewish, captèrent avec leur radiotélescope de très brefs signaux radio d'une durée d'un centième de seconde et qui arrivaient périodiquement, séparés par l'intervalle de temps rigoureusement précis de 1,34 seconde. Cette régularité de métronome leur fit d'abord penser qu'une civilisationn  extraterrestre essayait de contacter la Terre en nous envoyant une sorte de signal en morse. La source fut baptisée avec humour "Petit homme vert 1", mais plus sérieusement "pulsar (de l'anglais pulse, "bref signal périodique). Comme toutes le sgrandes découvertes, celle du premier pulsar donna lieu à une avalanches d'autres observations. Plusieurs autres pulsars furent découverts coup sur coup. L'un des plus célèbres est le pulsar situé au centre de la nébuleuse du Crabe dans la constellation du Taureau (M1), reste de supernova de l'étoile baptisée "étoile invitée" par les Chinois en 1054. Celui-ci s'est manifesté sous la forme d'une étoile émettant de la lumière visible et radio qui s'allumait et s'éteignaittrente fois par seconde.



crab
La nébuleuse du Crabe.

Il fallut se rendre à l'évidence : ces signaux périodiques ne venaient pas d'une Intelligence extraterrestre, mais d'objets naturels évoluant dans le ciel. La briéveté et la périodicité des signaux  radio ou visibles peuvent s'expliquer par le fait que l'étiles à neutrons ne rayonne pas sur toute sa surface. La lumière (qui est surtout de nature radio) est émise en deux minces faisceaux semblables à ceux d'un phare, localisés près des pôles magnétiques de l'étoile. Cette concentration de lumière en fasceaux résulte du rayonnement d'électrons tournant en spirale à des vitesses proches de celle de la lumière autour des lignes de champ magnétique intense ancrées à la surface de l'étoiles à neutrons.

Le champ magnétique d'un pulsar est des milliers de milliards de fois plus intense que le champ magnétique de la Terre. En outre, l'étoile à neutrons tourne très vite sur elle-même, accomplissant une rotation complète en une fraction de seconde. Même si l'étoile originale mettrait de deux semaines à un mois pour tourner sur elle-même, elle en vient à tourner de plus en lus vite quand elle s'effondre, tout comme le patineur tourne de plus en plus vite sur lui-même quand il ramène les bras le long de son corps. Cette rotation devient fantastique : un simple tic sur l'horloge, et une région de la taille de Paris a effectué des dizaines, voire des centaines de tours sur elle-même !
L'étoile à neutrons donne l'impression de s'allumer et se s'éteindre chaque fois qu'un des faisceaux lumineux balaie la Terre. Tous les pulsars sont des étoiles à neutrons, mais toutes les étoiles à neutrons ne sont pas des pulsars. En effet, pour qu'un pulsar soit détecté, il faut qu'il soit placé de telle façon qu'un de ses faisceaux balaie la Terre.
Le pulsar va jouer le rôle de phare céleste pendant plusieurs dizaines de millions d'années. Puis sa réserve d'énergie, emmagasinée lors de l'effondrement va s'épuiser. Il tournera de moins en moins vite ; ses signaux périodiques vont diminuer d'intensité et s'espacer de plus en plus. Il finira par ne plus rayonner. Enveloppé de silence, ce cadavre stellaire ne pourra plus être vu ni entendu.

On connaît quelques douzaines de pulsars qui, au lieu de ralentir, tournent au rythme inimaginable de près de mille tours durant un tic d'horloge. On pense que, par le passé, ils vivaient en couple avec une étoile normale qui a déversé son enveloppe gazeuse vers l'étoile à neutrons et, l'a fait ainsi accélérer jusqu'à de telles vitesses de rotation. Le couple s'est ensuite dissous, si bien que ces pulsars ultrarapides vivent maintenant isolés.

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