Pulsar

Comment une étoile morte devient un phare cosmique

Étape par étape

Une étoile de la taille d'une ville

Quand une étoile de plus de huit masses solaires meurt, son cœur s'effondre en une étoile à neutrons : environ 1,4 fois la masse du Soleil dans une boule d'environ 22 km de diamètre.

Une grande étoile brille en fusionnant des atomes légers en atomes plus lourds dans son cœur. Quand le cœur s'est changé en fer, ce feu s'éteint, car fusionner du fer ne produit pas d'énergie. Sans plus rien pour le soutenir, le cœur, à peu près grand comme la Terre, s'effondre sur lui-même en moins d'une seconde.

L'écrasement est si fort que les électrons sont enfoncés dans les protons, qui deviennent des neutrons. La chute ne s'arrête que lorsque les neutrons sont aussi serrés que dans le noyau d'un atome. Le reste de l'étoile est projeté dans l'espace en une supernova, et il reste l'étoile à neutrons.

À part les trous noirs, on ne connaît rien de plus dense : un morceau de sucre d'étoile à neutrons pèserait à peu près autant que tous les habitants de la Terre réunis. Sa gravité courbe la lumière. L'anneau d'étoiles étirées qui l'entoure est de la lumière d'étoiles déviée par son attraction, et l'on voit environ les quatre cinquièmes de sa surface à la fois.

Un aimant qui tourne

L'effondrement l'a fait tourner très vite et a comprimé son champ magnétique jusqu'à des milliers de milliards de fois celui de la Terre. Ses pôles magnétiques sont inclinés par rapport à son axe de rotation.

Pensez à une patineuse qui ramène ses bras et tourne plus vite. Le cœur de l'étoile mourante tournait lentement, mais en rétrécissant de la taille de la Terre à celle d'une ville, il s'est mis à tourner des centaines de milliers de fois plus vite. Les étoiles à neutrons qui viennent de naître peuvent faire de nombreux tours par seconde.

L'écrasement a aussi comprimé le champ magnétique de l'étoile dans un espace bien plus petit, ce qui l'a rendu énormément plus fort. Quelques étoiles à neutrons, appelées magnétars, sont mille fois plus fortes encore : ce sont les aimants les plus puissants connus.

Comme sur Terre, les pôles magnétiques ne sont pas là où sort l'axe de rotation. La ligne pointillée blanche est l'axe autour duquel l'étoile tourne, la violette son axe magnétique, incliné par rapport à lui. C'est cette inclinaison qui va faire de l'étoile un phare.

Deux faisceaux

Au-dessus des pôles magnétiques, des particules arrachées à la surface filent le long du champ et émettent deux faisceaux étroits d'ondes radio. La radio est invisible : elle est dessinée ici en vert.

Un aimant qui tourne produit de l'électricité : c'est ainsi que fonctionnent les alternateurs des centrales électriques. Une étoile à neutrons en est un gigantesque. Sa rotation crée des tensions de milliers de milliards de volts, assez fortes pour arracher de sa surface des électrons et d'autres particules chargées.

Les particules chargées ne peuvent se déplacer que le long des lignes du champ magnétique, comme des perles sur un fil. Au-dessus de chaque pôle magnétique, les lignes s'ouvrent vers l'espace, et là les particules sont projetées vers l'extérieur à presque la vitesse de la lumière. En chemin, elles émettent des ondes radio dans un cône étroit : le faisceau. Comment exactement, c'est une énigme que les scientifiques cherchent encore à résoudre.

L'énergie des faisceaux vient de la rotation de l'étoile ; chaque pulsar ralentit donc peu à peu, sur des millions d'années. Certains, comme les pulsars du Crabe et de Vela, clignotent aussi en lumière visible, en rayons X et en rayons gamma.

Un phare cosmique

Tandis que l'étoile tourne, ses faisceaux balaient le ciel comme ceux d'un phare. Chaque fois que l'un d'eux croise la Terre, les radiotélescopes captent une impulsion.

Les faisceaux sont fixés aux pôles magnétiques, qui sont inclinés : quand l'étoile tourne, chaque faisceau balaie donc un cercle dans le ciel. L'étoile ne s'allume pas et ne s'éteint pas : comme la lampe d'un phare, elle brille tout le temps, et nous ne voyons un éclair que lorsqu'un faisceau est tourné vers nous.

La flèche dorée indique la direction de la Terre. La ligne verte au-dessus du texte est le signal radio tel qu'un radiotélescope sur Terre l'enregistre : plat quand les faisceaux pointent ailleurs, un pic chaque fois que l'un d'eux passe sur nous.

Les faisceaux de la plupart des pulsars ne croisent jamais la Terre, si bien que nous ne pouvons pas les voir du tout. Malgré cela, on a découvert plus de 4 000 pulsars, presque tous dans notre propre galaxie.

Sa vraie vitesse

Au ralenti, on suit chaque tour. Le pulsar de Vela tourne en réalité 11 fois par seconde, et le plus rapide connu 716 fois. Choisissez un pulsar pour le voir et l'entendre.

Jusqu'ici, la rotation était ralentie pour que vous puissiez la suivre. Le bouton en haut passe du ralenti à la vitesse réelle, et la liste à côté propose quatre vrais pulsars, du tout premier découvert, qui fait un tour toutes les 1,34 seconde, au plus rapide connu.

Le plus rapide, PSR J1748−2446ad, fait 716 tours par seconde : son équateur file à environ un cinquième de la vitesse de la lumière. Des pulsars aussi rapides sont de vieux pulsars remis en rotation. Une étoile compagne a déversé du gaz sur eux, les poussant de plus en plus vite, comme une main qui pousse un manège.

Avec le son activé, vous entendez la différence. Les pulsars lents battent comme un tambour, les rapides bourdonnent, et à des centaines d'impulsions par seconde, les battements se fondent en une note de musique.

Le cylindre de lumière

Le champ magnétique est ancré dans l'étoile et tourne avec elle, comme les rayons d'une roue. Plus on s'éloigne le long d'un rayon, plus il va vite, de même que le bord d'un manège va plus vite que son centre.

À l'intérieur, les lignes de champ reviennent vers l'étoile, et les particules qu'elles portent tournent avec elle. Les lignes qui iraient plus loin ne peuvent pas se refermer : elles s'ouvrent et s'étirent en spirale, emportant un vent de particules à presque la vitesse de la lumière. Autour du pulsar du Crabe, ce vent illumine toute la nébuleuse du Crabe, large d'environ 11 années-lumière.

Des horloges dans le ciel

Jocelyn Bell Burnell a découvert le premier pulsar en 1967. Les pulsars battent la mesure si régulièrement qu'une carte de 14 d'entre eux, à bord des sondes Pioneer et Voyager, indique où se trouve notre Soleil.

En 1967, Jocelyn Bell Burnell, une étudiante de Cambridge, remarqua un petit « gribouillis » sur les relevés papier d'un radiotélescope qu'elle avait aidé à construire : des impulsions espacées de 1,34 seconde, régulières comme une horloge. L'équipe, à moitié pour rire, baptisa la source LGM-1, pour « little green men » (petits hommes verts), jusqu'à ce qu'on en trouve d'autres et qu'elles se révèlent être des étoiles à neutrons en rotation.

Le prix Nobel de 1974 pour cette découverte alla à son directeur de thèse, Antony Hewish, mais pas à elle. En 2018, elle reçut un prix Breakthrough de 3 millions de dollars et le donna entièrement pour aider des étudiants de groupes sous-représentés en physique.

Les pulsars les plus rapides donnent l'heure presque aussi bien que des horloges atomiques. C'est en chronométrant l'un d'eux qu'on a découvert, en 1992, les premières planètes jamais trouvées autour d'une autre étoile. Et en chronométrant 68 d'entre eux pendant 15 ans, des astronomes ont trouvé en 2023 des signes d'ondes gravitationnelles, des ondulations de l'espace lui-même, qui traversent notre galaxie.

La carte des plaques de Pioneer et des disques de Voyager indique la direction, la distance et le rythme de 14 pulsars vus depuis le Soleil. Les pulsars ralentissent régulièrement : qui la trouverait pourrait donc savoir non seulement d'où venaient les sondes, mais aussi, à peu près, quand elles sont parties.