Magnétar

Les aimants les plus puissants connus, et le jour où l'un d'eux a lancé un éclair à travers la galaxie

Étape par étape

Un aimant de la taille d'une ville

Un magnétar est une étoile à neutrons au champ magnétique le plus intense connu. Celui de SGR 1806-20 atteint environ 2×10¹⁵ gauss : quatre millions de milliards de fois celui de la Terre.

Une étoile à neutrons est ce qui reste quand le cœur d'une étoile massive s'effondre : environ 1,4 fois la masse du Soleil dans une boule d'environ 24 km. La plupart ont des champs magnétiques d'environ mille milliards de fois celui de la Terre. Environ 30 des quelque 3 000 étoiles à neutrons connues en ont de cent à mille fois plus intenses encore. On les appelle magnétars.

SGR 1806-20, à environ 28 000 années-lumière dans le Sagittaire, est l'un des plus intenses. Son champ atteint environ 2×10¹⁵ gauss. Celui de la Terre est d'un demi-gauss, celui d'un aimant de frigo d'une centaine, et celui de l'aimant permanent le plus puissant jamais construit, au laboratoire national des champs magnétiques intenses des États-Unis, de 455 000.

Si près d'un magnétar, les atomes eux-mêmes sont étirés en fines aiguilles le long du champ. Même à 1 000 km, le champ atteindrait encore quelques milliards de gauss, assez pour déformer les atomes de tout être vivant.

Une rotation lente, freinée

La plupart des jeunes étoiles à neutrons tournent plusieurs fois par seconde. Les magnétars tournent lentement, une fois toutes les 2 à 12 secondes, car leurs champs énormes font office de freins : en tournant, l'étoile projette par son champ des particules chargées dans l'espace, qui emportent sa rotation.

Un champ tordu

À l'intérieur, le champ serait plus intense encore, et emmêlé. En se frayant un chemin vers l'extérieur, il tord les lignes de champ au-dessus de l'étoile et met à rude épreuve la croûte solide où elles sont ancrées.

La croûte d'une étoile à neutrons est une coquille solide d'environ un kilomètre d'épaisseur, un réseau de noyaux riches en fer bien plus résistant que l'acier. Le champ magnétique la traverse et y est ancré.

Dans les magnétars, le champ serait encore plus intense à l'intérieur de l'étoile, et emmêlé. Au fil des ans, il se fraie lentement un chemin vers l'extérieur, entraînant la croûte et tordant les lignes de champ qui forment des boucles au-dessus de la surface. Les lignes tordues portent des courants électriques, qui chauffent la croûte : les magnétars brillent en rayons X plus que ce que pourrait payer le ralentissement de leur rotation. C'est leur magnétisme, pas leur rotation, qui les alimente.

La torsion montrée ici est dessinée pour illustrer l'idée, telle que la propose l'explication dominante (Thompson, Lyutikov et Kulkarni 2002). Personne ne peut voir le champ lui-même.

Séismes stellaires

Quand la contrainte est trop forte, la croûte se fissure. Chaque séisme stellaire secoue le champ et libère un sursaut de rayons X et gamma d'environ un dixième de seconde.

Les magnétars ont d'abord été remarqués par ces sursauts. En 1979, des satellites ont capté de brefs sursauts répétés de rayons gamma venant des mêmes régions du ciel, et leurs sources ont été appelées « répéteurs gamma mous » : le SGR de SGR 1806-20.

Un sursaut typique dure environ un dixième de seconde et libère autant d'énergie que le Soleil en quelques jours à quelques mois, surtout en rayons X. Quand un magnétar se réveille, il peut en lancer des centaines en quelques semaines, puis se taire pendant des années. L'explication privilégiée : la croûte se brise sous la contrainte du champ, comme le sol lors d'un séisme, et les lignes de champ au-dessus prennent brusquement une nouvelle forme en libérant leur énergie.

La fissure et les sursauts sont dessinés, ralentis six fois.

L'éruption géante

Le 27 décembre 2004, SGR 1806-20 a tout lâché d'un coup. Pendant un cinquième de seconde, il a surpassé la pleine Lune vue de la Terre, à 28 000 années-lumière : l'éclair le plus brillant jamais vu venant de l'extérieur du Système solaire.

L'éruption géante a atteint la Terre à 21 h 30 UT. C'étaient presque uniquement des rayons gamma, invisibles à l'œil, mais pendant un cinquième de seconde elle a apporté à la Terre plus d'énergie que la lumière de la pleine Lune (Palmer et al. 2005). Elle a saturé presque tous les détecteurs gamma dans l'espace et a même perturbé la haute atmosphère terrestre, l'ionosphère.

Elle se serait produite quand une grande partie du champ, contrainte pendant des années, s'est rompue et a pris d'un coup une nouvelle forme, projetant un nuage de matière à une bonne fraction de la vitesse de la lumière.

L'éclair, ce sont des rayons gamma, dessinés en violet pâle, ralentis environ cinq fois.

Une queue qui pulse

Après l'éclair, une boule de feu retenue par le champ a brillé environ six minutes, plus fort chaque fois que la rotation de l'étoile, toutes les 7,56 secondes, la tournait vers nous.

Le premier éclair a duré un cinquième de seconde. Il a été suivi d'une lueur plus douce qui s'est éteinte en environ 380 secondes, montant et descendant toutes les 7,56 secondes : la rotation même de l'étoile.

L'explication est une boule de feu piégée : une boule d'électrons, de positrons et de rayons gamma à des centaines de millions de degrés, prise dans les boucles fermées du champ juste au-dessus de la surface. Sa propre pression la ferait exploser en un instant ; seul un champ aussi intense peut la retenir. En se refroidissant de l'extérieur vers l'intérieur, sa lueur a faibli, tandis que la rotation de l'étoile la tournait vers la Terre puis l'en détournait.

Ici la boule de feu est dessinée d'un côté de l'étoile ; sa forme réelle n'est pas connue. La queue défile environ quatre fois plus vite qu'en réalité.

L'étoile a vibré

Dans la queue, les rayons X ont vacillé à des fréquences fixes, de 18 à 1 840 fois par seconde : la croûte tremblait encore du séisme, comme une cloche qu'on a frappée.

Des satellites qui ont chronométré de près les rayons X de la queue les ont vus vaciller à des fréquences fixes : 18, 26, 30, 92, 150, 625 et 1 840 fois par seconde (Israel et al. 2005 ; Strohmayer et Watts 2006). Une série semblable avait été trouvée dans l'éruption géante de SGR 1900+14 en 1998.

Elles correspondent aux manières dont la croûte d'une étoile à neutrons peut se tordre d'avant en arrière, une moitié contre l'autre, comme les sismologues lisent la vibration de la Terre après un séisme pour savoir ce qu'elle renferme. C'était la première fois qu'on pouvait sonder ainsi l'intérieur d'une étoile à neutrons.

Ces fréquences sont des sons que nous pouvons entendre. Son activé, elles sont jouées ici comme des notes ; leur volume est dessiné. La torsion de la croûte est dessinée au ralenti pour que l'œil puisse la suivre.

Éléments lourds

L'éruption a aussi éjecté de la matière. Environ dix minutes plus tard, une faible lueur de rayons gamma a montré qu'elle contenait des éléments lourds tout juste créés : environ un tiers de la masse de la Terre.

L'éruption a projeté un nuage de matière riche en neutrons à une bonne fraction de la vitesse de la lumière. En réexaminant les anciennes données, des astronomes ont trouvé une lueur de rayons gamma plus tardive et plus faible, culminant environ dix minutes après l'éclair.

Son intensité et son rythme correspondent à la désintégration radioactive de noyaux lourds tout juste créés : la capture rapide de neutrons, le processus r, qui crée l'or, le platine et l'uranium. Environ un millionième de la masse du Soleil a été créé, un tiers de celle de la Terre (Patel et al. 2025). De telles éruptions pourraient produire un à dix pour cent des éléments les plus lourds de la Voie lactée ; l'essentiel du reste vient de collisions d'étoiles à neutrons.

Le nuage est dessiné comme une coquille à la lueur dorée ; sa forme réelle n'est pas connue.

Un sursaut radio de notre galaxie

Le 28 avril 2020, un autre magnétar, SGR 1935+2154, a émis un sursaut de rayons X et un éclair d'ondes radio de moins d'un millième de seconde : le premier sursaut radio rapide observé depuis l'intérieur de la Voie lactée.

Les sursauts radio rapides sont des éclairs d'ondes radio de quelques millièmes de seconde, découverts en 2007. On en a vu des milliers, presque tous venant d'autres galaxies, et leur origine était un mystère.

Le 28 avril 2020, deux radiotélescopes, CHIME au Canada et STARE2 aux États-Unis, en ont capté un venant de SGR 1935+2154, à environ 30 000 années-lumière, au même instant qu'un sursaut de rayons X de sa part. Il s'agissait de deux éclairs séparés de 29 millièmes de seconde. Vu d'une autre galaxie, il aurait ressemblé à un faible sursaut radio rapide : au moins une partie de ces lointains éclairs vient de magnétars.

Les ondes radio sont invisibles ; ici elles sont dessinées en vert, ralenties environ trente fois.

L'extinction

Les magnétars sont jeunes : leur champ s'use en environ 10 000 ans. Ensuite les sursauts cessent, et l'étoile continue sa vie d'étoile à neutrons tranquille.

On connaît environ 30 magnétars, tous dans la Voie lactée ou sa compagne, le Grand Nuage de Magellan. Ils se trouvent près d'amas jeunes et de restes de supernovas, et peu ont plus de quelques milliers d'années. L'un, dans l'amas Westerlund 1 à 16 000 années-lumière, est né d'une étoile d'environ 40 fois la masse du Soleil.

En déclinant et en relâchant ses torsions, le champ chauffe l'étoile et alimente les sursauts. Après une dizaine de milliers d'années, il n'en reste plus assez pour fissurer la croûte. Le magnétar ralentit, refroidit et s'éteint, devenant l'une des centaines de millions d'étoiles à neutrons tranquilles qui peupleraient notre galaxie.

Objets de cette histoire

Étoile à neutrons