Découverte de l’une des plus massives étoiles à neutrons

Les étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus fascinants de l’univers. Souvent plus lourds que deux soleils réunis, ces restes stellaires en décomposition ne sont pas plus larges qu’une grande ville. Inutile de dire que ces objets sont super denses et exceptionnellement ronds, contenant une quantité indécente de matière dans un petit espace. Une étoile à neutrons typique, par exemple, concentre environ 500 000 fois la masse totale de notre planète dans une sphère de 20 km de diamètre. Les étoiles à neutrons se forment à partir des coquilles d’étoiles en décomposition de 10 à 30 masses solaires, où une masse solaire équivaut à la masse de notre Soleil.

Image d’entête : Représentation artistique de l’étoile à neutrons PSR J2215+5135 (en bas à droite) et sa compagne stellaire. (G. Pérez-Díaz/ IAC/ ESO)

Une nouvelle recherche publiée cette semaine décrit l’une des étoiles à neutrons les plus massives jamais détectées, un objet contenant 2,3 masses solaires. Une seule étoile à neutrons connue la surpasse : un monstre découvert il y a sept ans qui pesait 2,4 masses solaires. Au total, sur les quelque 2 000 étoiles à neutrons connues des astronomes, quatre seulement font plus de deux masses solaires. Les étoiles à neutrons super massives sont donc relativement rares, et elles existent aux limites de ce qui est physiquement possible, ce qui en fait des objets d’enquête d’une importance exceptionnelle, tant pour les astronomes que pour les physiciens des particules.

PSR J2215+5135, comme on appelle l’étoile à neutrons nouvellement décrite, est ce que les astronomes appellent un pulsar « redback » (les termes « étoile à neutrons » et « pulsar » sont souvent utilisés indistinctement, bien que techniquement parlant, les pulsars ne décrivent que les étoiles à neutrons en rotation rapide). Les pulsars Redback sont des systèmes binaires compacts dans lesquels une étoile à neutrons en rotation est étroitement orbitée par une étoile de faible masse de la séquence principale.

Représentation d’un pulsar (une étoile à neutrons, extrêmement dense et en rotation rapide), émettant des faisceaux d’ondes radio, étroitement associé à une naine blanche compacte. Le fond de la grille illustre les déformations de l’espace-temps provoquées par l’effet gravitationnel des deux objets. (John Antoniadis/ Institut Max Planck de Radioastronomie )

Les compagnes des étoiles à neutrons reçoivent le rayonnement qui s’échappe du pulsar, ce qui ne facilite pas la tâche des scientifiques qui tente de faire la distinction entre les deux objets, fin de déterminer de la masse de l’un des deux objets.

Les chercheurs du Groupe d’astronomie et d’astrophysique de l’université polytechnique de Catalogne (UPC) et de l’Institut d’astrophysique des îles Canaries ont récemment mis au point une nouvelle technique qui leur a permis de mesurer la masse d’une étoile à neutrons dans un binaire compact. Pour ce faire, un groupe de télescopes a été utilisé : le Gran Telescopio Canarias (le plus grand télescope optique et infrarouge au monde), le télescope Herschel, le télescope Isaac Newton et le télescope IAC-80 de l’observatoire du Teide.

Les astronomes, dirigés par le physicien de l’UPC Manuel Linares, ont également utilisé des modèles informatiques pour simuler les objets et étudier les diagrammes de rayonnement endurés par la compagne stellaire du pulsar.

Cette approche a permis aux chercheurs de mesurer la vitesse à laquelle l’étoile compagne se déplace sur son orbite, ainsi que les vitesses observées sur les faces plus brillantes et légèrement plus sombres de l’étoile. En mesurant les considérables différences de température entre les côtés plus “froid/ sombre” et plus chaud/ plus brillant de l’étoile compagne, les chercheurs ont pu déduire à la fois la vitesse de l’étoile à neutrons et sa masse. Le côté lumineux, qui fait face au pulsar, a été mesuré à 7 807°C et le côté gradateur à 5 387°C. Les objets tournent autour du centre de masse de l’autre à 412 kilomètres par seconde. Munis de ces variables et d’autres, comme l’inclinaison orbitale, les chercheurs ont été en mesure d’établir la masse de l’étoile à neutrons à 2,3 masses solaires.

Mesures de la vitesse des deux côtés de l’étoile compagne. (G. Pérez-Díaz/ IAC, R. Hynes/ ESO)

Avec la découverte du PSR J2215+5135 et d’autres étoiles à neutrons exceptionnellement massives, les scientifiques ont une meilleure idée de la façon dont ces objets peuvent devenir si massifs et, par conséquent, ils peuvent en apprendre davantage sur le comportement et les interactions des particules dans ces environnements. Les scientifiques ne peuvent évidemment pas reproduire l’intense force gravitationnelle des étoiles à neutrons sur Terre (ce qui serait désastreux), mais ils peuvent considérer ces objets comme des laboratoires éloignés, basés dans l’espace.

Par exemple, les physiciens aimeraient en apprendre davantage sur les interactions entre les nucléons, les neutrons et les protons qui forment le noyau de l’atome , à des densités extrêmement élevées. Dans ce cas, avec une étoile à neutrons de 2,3 masses solaires, cela signifie que la force répulsive entre les particules à l’intérieur de son noyau doit être suffisamment forte pour l’empêcher de s’effondrer davantage. Selon les chercheurs, cela suggère que les quarks libres ou d’autres formes exotiques de matière sont probablement absents à l’intérieur des étoiles à neutrons.

La gravité peut créer des choses très étranges et, comme le soulignent les chercheurs, leur nouvelle technique pourrait également être utilisée pour mesurer les masses de trous noirs et de naines blanches, tous deux très denses. Espérons que la nouvelle technique sera utilisée pour mesurer des objets encore plus massifs que PSR J2215+5135, montrant à quel point les lois de l’univers peuvent manipuler la matière.

L’étude publiée dans The Astrophysical Journal : Peering into the Dark Side: Magnesium Lines Establish a Massive Neutron Star in PSR J2215+5135 et présentée sur le site de l’université polytechnique de Catalogne : Researchers from the UPC and the IAC discover one of the most massive neutron stars.