Un pulsar veuve noire qui révèle être la plus massive des étoiles à neutrons
Des scientifiques ont mesuré la masse d’une étoile à neutrons désignée PSR J0952-0607, et ils ont découvert qu’il s’agit de la plus massive de ce genre d’étoiles découvertes à ce jour, avec une masse équivalente à 2,35 fois celle du Soleil.
GIF d’entête : représentation d’un pulsar de veuve noire, une étoile à neutrons en rotation qui fait périodiquement passer ses faisceaux radio (vert) et gamma (magenta) devant la Terre. L’étoile à neutrons/pulsar chauffe le côté opposé de sa partenaire (binaire) stellaire (à droite) à des températures deux fois plus élevées que la surface du soleil et l’évapore lentement. (NASA’s Goddard Space Flight Center)
Si cela s’avère exact, la masse de l’étoile est très proche de la limite supérieure théorique d’environ 2,3 masses solaires pour les étoiles à neutrons, ce qui représente un excellent laboratoire pour étudier ces étoiles ultra-denses au bord de l’effondrement, dans l’espoir de mieux comprendre l’état quantique étrange de la matière dont elles sont composées.
Selon l’astrophysicien Alex Filippenko, de l’université de Californie à Berkeley (Etats-Unis) :
Nous savons en gros comment la matière se comporte à des densités nucléaires, comme dans le noyau d’un atome d’uranium.
Une étoile à neutrons est comme un noyau géant, mais lorsque vous avez une masse solaire et demie de cette substance, ce qui représente environ 500 000 masses terrestres de noyaux tous accrochés les uns aux autres, on ne sait pas du tout comment ils vont se comporter.
Les étoiles à neutrons sont les noyaux effondrés d’étoiles massives dont la masse était comprise entre 8 et 30 fois celle du Soleil, avant qu’elles ne se transforment en supernova et n’expulsent la majeure partie de leur masse dans l’espace.
Ces noyaux, dont la masse tend à être environ 1,5 fois celle du Soleil, font partie des objets les plus denses de l’Univers. La seule chose plus dense est un trou noir.
Leur masse est concentrée dans une sphère d’à peine 20 kilomètres de diamètre. A cette densité, les protons et les électrons peuvent se combiner en neutrons. La seule chose qui empêche cette boule de neutrons de s’effondrer dans un trou noir est la force qu’il faudrait pour qu’ils occupent les mêmes états quantiques, décrite comme une pression de dégénérescence.
D’une certaine manière, cela signifie que les étoiles à neutrons se comportent comme des noyaux atomiques massifs. Mais ce qui se passe à ce point de basculement, où les neutrons forment des structures étranges ou se fondent dans une soupe de particules plus petites, est difficile à dire.
PSR J0952-0607 était déjà l’une des étoiles à neutrons les plus intéressantes de la Voie lactée. Il s’agit de ce que l’on appelle un pulsar, une étoile à neutrons qui tourne très vite et dont les pôles émettent des jets de rayonnement. Lorsque l’étoile tourne, ces pôles passent devant l’observateur (nous) à la manière d’un phare cosmique, de sorte que l’étoile semble pulser.
Ces étoiles peuvent être incroyablement rapides, leur taux de rotation étant de l’ordre de la milliseconde (pulsar milliseconde). PSR J0952-0607 est le deuxième pulsar le plus rapide de la Voie lactée, avec une rotation de 707 fois par seconde. (Le plus rapide est à peine plus performant, avec un taux de rotation de 716 fois par seconde).
C’est également ce que l’on appelle un pulsar « veuve noire ». L’étoile est en orbite proche avec une compagne binaire, si proche que son immense champ gravitationnel attire la matière de l’étoile compagne. Cette matière forme un disque d’accrétion qui tourbillonne autour de l’étoile à neutrons et l’alimente, un peu comme l’eau qui tourbillonne autour d’une canalisation. Le moment angulaire du disque d’accrétion est transféré à l’étoile, ce qui augmente sa vitesse de rotation.
Cette vidéo de 2014 de la NASA présente les pulsars veuves noires et explique comment les astronomes ont découvert l’un d’entre eux, appelé PSR J1311-3430, le premier du genre découvert uniquement grâce aux observations des rayons gamma.
Une équipe dirigée par l’astrophysicien Roger Romani de l’université Stanford (Etats-Unis) a voulu mieux comprendre comment PSR J0952-0607 s’inscrit dans la chronologie de ce processus. L’étoile compagne binaire est minuscule, moins de 10 % de la masse du Soleil. L’équipe de recherche a étudié le système et son orbite et elle a utilisé ces informations pour obtenir une nouvelle mesure précise du pulsar.
Leurs calculs ont donné un résultat de 2,35 fois la masse du Soleil, à 0,17 masse solaire près. Si l’on suppose que la masse initiale d’une étoile à neutrons standard est d’environ 1,4 fois la masse du Soleil, cela signifie que PSR J0952-0607 a ingurgité la valeur d’un Soleil entier de matière de sa compagne binaire. Selon l’équipe, il s’agit d’une information très importante sur les étoiles à neutrons.
Cette image montre PSR J0952-0607 et sa compagne. (Observatoire W.M. Keck/ Roger W. Romani/ Alex Filippenko)
Selon Romani :
Cela fournit certaines des plus fortes contraintes sur la propriété de la matière à plusieurs fois la densité observée dans les noyaux atomiques. En effet, de nombreux modèles de physique de la matière dense, par ailleurs populaires, sont exclus par ce résultat.
Une masse maximale élevée pour les étoiles à neutrons suggère qu’il s’agit d’un mélange de noyaux et de leurs quarks up et quarks down dissous jusqu’au noyau. Cela exclut de nombreux états de la matière proposés, notamment ceux dont la composition intérieure est exotique.
La binaire montre également un mécanisme par lequel des pulsars isolés, sans compagne binaire, peuvent avoir des taux de rotation de l’ordre de la milliseconde. Le compagnon de J0952-0607 a presque disparu ; une fois qu’il aura été entièrement dévoré, le pulsar (s’il n’a pas dépassé la limite de masse supérieure et ne s’effondre pas davantage en un trou noir) conservera sa vitesse de rotation incroyablement rapide pendant un certain temps.
Et il sera seul, comme tous les autres pulsars millisecondes isolés.
L’étude publiée dans The Astrophysical Journal Letters : PSR J0952−0607: The Fastest and Heaviest Known Galactic Neutron Star et présentée sur le site de l’Université de Californie à Berkeley : Heaviest neutron star to date is a ‘black widow’ eating its mate.