Des astronomes détectent l’étoile à neutrons la plus massive à ce jour

Les étoiles à neutrons renferment la matière la plus dense qui devrait « normalement » exister (les trous noirs sont plus denses, mais ils sont vraiment bizarres, donc ne les prenons pas en compte pour le moment). Comme le montre l’exemple traditionnel, une seule cuillère à café de matière d’étoiles à neutrons pèse environ autant que l’ensemble de la race humaine, soit environ 100 millions de tonnes.

Image d’entête : représentation artistique de l’impulsion d’une énorme étoile à neutrons retardée par le passage d’une étoile naine blanche entre l’étoile à neutrons et la Terre. Ce phénomène est connu sous le nom de « effet Shapiro ». (BSaxton/ NRAO/ AUI/ NSF)

Toute la matière que nous voyons autour de nous semble très dense, mais au niveau atomique, il y a beaucoup d’espace vide. La raison pour laquelle les étoiles à neutrons sont si denses est qu’elles sont composées de neutrons étroitement tassés. Si vous vous débarrassez de tous les électrons et ne gardez que les neutrons, vous pouvez le faire, mais vous avez besoin de conditions très spéciales.

Une étoile à neutrons est le noyau effondré d’une étoile géante qui (avant de s’effondrer) a une masse d’environ 10-29 masses solaires. Les astronomes étudient ces objets depuis des décennies, mais beaucoup de choses à leur sujet ne sont pas encore très claires. Par exemple, qu’arrive-t-il vraiment aux neutrons, deviennent-ils une sorte de superfluide qui circule librement, ou se décomposent-ils en particules subatomiques ? En outre, où se situe exactement le point de basculement entre le trou noir d’une étoile qui s’effondre et celui d’une étoile à neutrons ?

Cette étoile récemment découverte pourrait aider à y répondre.

Représentation de l’étoile à neutrons, extrêmement dense, émettant des faisceaux d’ondes radio comme un pulsar, étroitement associé à une naine blanche compacte. (John Antoniadis/ Institut Max Planck de Radioastronomie)

Selon Thankful Cromartie, de l’université de Virginie et de l’Observatoire national de radioastronomie de Charlottesville, en Virginie (États-Unis) :

Les étoiles à neutrons sont aussi mystérieuses que fascinantes. Ces objets de la taille d’une ville sont essentiellement des noyaux atomiques ginormes. Ils sont si massifs que leurs intérieurs adoptent des propriétés bizarres. Trouver la masse maximale que la physique et la nature nous permettront d’atteindre peut nous apprendre beaucoup de choses sur ce domaine autrement inaccessible de l’astrophysique.

Cromartie a réalisé ce travail dans le cadre de son projet de doctorat.

L’étoile, désignée J0740+6620, est un pulsar, un type d’étoile à neutrons hautement magnétisée qui émet un faisceau de rayonnement électromagnétique. Sa masse est 2,17 fois supérieure à celle de notre Soleil, bien qu’elle ne fasse que 30 kilomètres de diamètre. C’est très proche de la limite de la compacité d’un objet unique sans s’écraser en un trou noir, comme le suggèrent des travaux très récents sur les ondes gravitationnelles observées à partir d’étoiles à neutrons en collision.

Pour effectuer ces mesures, les chercheurs ont profité d’une des principales propriétés des pulsars : l’impulsion spéciale qu’ils émettent.

Les pulsars sont appelés ainsi parce qu’ils émettent deux faisceaux radio à travers leurs pôles magnétiques, un peu comme un phare tournant qui émet de la lumière. Comme les pulsars tournent à des vitesses étourdissantes (parfois, à 24% de la vitesse de la lumière), les impulsions peuvent être utilisées comme une sorte de chronomètre cosmique. Mais en soi, cela ne suffit pas pour calculer avec précision la masse du pulsar.

Il y a une autre propriété que les chercheurs utilisent à cette fin : ce qu’on appelle l’effet Shapiro.

Représentation artistique de l’expérience de mesure de l’effet Shapiro réalisée, en 2003, dans le cadre de la mission Cassini-Huygens. (NASA)

L’étoile à neutrons a une compagne, une naine blanche. Lorsque le signal des pulsars passe devant la naine blanche, la gravité de la naine est suffisamment grande pour déformer l’environnement qui l’entoure, déformant légèrement l’espace-temps dans son voisinage (conformément à la théorie de la relativité générale d’Einstein). Cela signifie que les impulsions doivent voyager un peu plus qu’elles ne le devraient sans l’effet gravitationnel, et ce temps supplémentaire est indicatif de l’attraction gravitationnelle de la naine blanche, et donc, de sa masse.

Représentation artistique et animation du retard/ effet Shapiro. Lorsque l’étoile à neutrons envoie une impulsion continue vers la Terre, le passage de l’étoile naine blanche qui l’accompagne déforme l’espace qui l’entoure, créant le subtil retard du signal d’impulsion. (BSaxton/ NRAO/ AUI/ NSF)

Après quoi, une fois la masse de la naine calculée, la masse du pulsar peut également être déterminée avec précision par un procédé relativement simple. Cela a également montré que l’étoile à neutrons est très proche de devenir un trou noir.

Pour les chercheurs, cet environnement crée la configuration parfaite pour mesurer la masse de l’étoile à neutrons, agissant comme un laboratoire cosmique. Grâce à ces systèmes qu’ils découvrent, les astronomes obtiennent une meilleure approximation du moment où les étoiles deviennent des trous noirs et du moment où elles demeurent des étoiles à neutrons.

Selon Scott Ransom, astronome à l’OFR et coauteur de l’étude :

L’orientation de ce système stellaire binaire a créé un laboratoire cosmique fantastique. Les étoiles à neutrons ont ce point de basculement où leurs densités intérieures deviennent si extrêmes que la force de gravité dépasse même la capacité des neutrons à résister à un nouvel effondrement.

Chaque étoile à neutrons « la plus massive » que nous trouvons nous rapproche de ce point de basculement et nous aide à comprendre la physique de la matière à ces densités hallucinantes.

L’étude publiée dans Nature Astronomy : Relativistic Shapiro delay measurements of an extremely massive millisecond pulsar et présentée sur le site de l’observatoire Green Bank : Most Massive Neutron Star Ever Detected, Almost too Massive to Exist.