Étoiles à neutrons : définition et faits

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Les étoiles à neutrons sont créées lorsque des étoiles géantes meurent dans des supernovas et que leurs noyaux s'effondrent, les protons et les électrons se fondant essentiellement les uns dans les autres pour former des neutrons. (Crédit image : NASA / Dana Berry)



Les étoiles à neutrons sont des objets stellaires de la taille d'une ville avec une masse environ 1,4 fois celle du soleil. Nés de la mort explosive d'une autre, des étoiles plus grandes, ces minuscules objets ont du punch. Voyons ce qu'ils sont, comment ils se forment et comment ils varient.



Un phénix stellaire

Lorsque des étoiles quatre à huit fois plus massives que le soleil explosent dans une violente supernova, leurs couches externes peuvent exploser dans un affichage souvent spectaculaire, laissant derrière elles un petit noyau dense qui continue de s'effondrer. La gravité presse le matériau sur lui-même si étroitement que les protons et les électrons se combinent pour former des neutrons, ce qui donne le nom d'« étoile à neutrons ». [Photos de supernova : superbes images d'explosions d'étoiles]

Les étoiles à neutrons emballent leur masse dans un diamètre de 20 kilomètres (12,4 miles). Ils sont si dense qu'une seule cuillère à café pèserait un milliard de tonnes - en supposant que vous ayez réussi à attraper un échantillon sans être capturé par la forte attraction gravitationnelle du corps. En moyenne, la gravité sur une étoile à neutrons est 2 milliards de fois plus forte que la gravité sur Terre. En fait, il est suffisamment puissant pour plier considérablement le rayonnement de l'étoile dans un processus connu sous le nom de lentille gravitationnelle, permettant aux astronomes de voir une partie de l'arrière de l'étoile.



La puissance de la supernova qui lui a donné naissance donne à l'étoile une rotation extrêmement rapide, la faisant tourner plusieurs fois en une seconde. Les étoiles à neutrons peuvent tourner aussi vite que 43 000 fois par minute, ralentissant progressivement avec le temps.

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Si une étoile à neutrons fait partie d'un système binaire qui a survécu à l'explosion mortelle de sa supernova (ou si elle a capturé un compagnon de passage), les choses peuvent devenir encore plus intéressantes. Si la deuxième étoile est moins massive que le soleil, elle tire la masse de son compagnon dans un lobe de Roche, un nuage de matière en forme de ballon qui orbite autour de l'étoile à neutrons. Les étoiles compagnes jusqu'à 10 fois la masse du soleil créent des transferts de masse similaires qui sont plus instables et ne durent pas aussi longtemps.



Des étoiles plus de 10 fois plus massives que le matériau de transfert solaire sous forme de vent stellaire. Le matériau s'écoule le long des pôles magnétiques de l'étoile à neutrons, créant des pulsations de rayons X lorsqu'il est chauffé.

En 2010, environ 1 800 pulsars avaient été identifiés grâce à la détection radio, et 70 autres détectés par les rayons gamma. Certains pulsars ont même des planètes en orbite autour d'eux - et certains peuvent se transformer en planètes.

Types d'étoiles à neutrons

Certaines étoiles à neutrons ont des jets de matières qui s'en échappent presque à la vitesse de la lumière. Lorsque ces faisceaux passent devant la Terre, ils clignotent comme l'ampoule d'un phare . Les scientifiques les ont appelés pulsars après leur apparition pulsante.Les pulsars normaux tournent entre 0,1 et 60 fois par seconde, tandis que les pulsars millisecondes peuvent produire jusqu'à 700 fois par seconde.



Lorsque les pulsars à rayons X capturent le matériau provenant de compagnons plus massifs, ce matériau interagit avec le champ magnétique pour produire des faisceaux de haute puissance qui peuvent être vus dans le spectre radio, optique, des rayons X ou des rayons gamma. Parce que leur principale source d'énergie provient du matériau de leur compagnon, ils sont souvent appelés « pulsars alimentés par accrétion ». Les « pulsars à spin » sont entraînés par la rotation des étoiles, car les électrons à haute énergie interagissent avec le champ magnétique du pulsar au-dessus de leurs pôles. Les jeunes étoiles à neutrons avant qu'elles ne refroidissent peuvent également produire des impulsions de rayons X lorsque certaines parties sont plus chaudes que d'autres.

Lorsque le matériau d'un pulsar accélère dans la magnétosphère d'un pulsar, l'étoile à neutrons produit une émission de rayons gamma. Le transfert d'énergie dans ces pulsars gamma ralentit la rotation de l'étoile.

Le scintillement des pulsars est si prévisible que les chercheurs envisagent de les utiliser pour la navigation dans les vols spatiaux.

'Certains de ces pulsars millisecondes sont extrêmement réguliers, comme une horloge', a déclaré Keith Gendreau du Goddard Space Flight Center de la NASA dans le Maryland, aux membres de la presse en 2018.

'Nous utilisons ces pulsars de la même manière que nous utilisons les horloges atomiques dans un système de navigation GPS', a déclaré Gendreau.

L'étoile à neutrons moyenne possède un puissant champ magnétique. Le champ magnétique de la Terre est d'environ 1 gauss et celui du soleil de quelques centaines de gauss, selon l'astrophysicien Paul Sutter. Mais une étoile à neutrons a un champ magnétique de mille milliards de gauss.

Les magnétars ont des champs magnétiques mille fois plus forts que la moyenne des étoiles à neutrons. La traînée résultante fait que l'étoile prend plus de temps à tourner.

'Cela place les magnétars à la première place, champions en titre de la compétition universelle' du champ magnétique le plus puissant '', a déclaré Sutter. « Les chiffres sont là, mais il est difficile de les comprendre. »

Ces champs font des ravages dans leur environnement local, avec des atomes s'étirant en bâtonnets très fins près des magnétars. Les étoiles denses peuvent également générer des rafales de rayonnement de haute intensité.

'Approchez-vous trop d'un (disons, à moins de 1 000 kilomètres, ou environ 600 miles), et les champs magnétiques sont suffisamment puissants pour perturber non seulement votre bioélectricité - rendant vos impulsions nerveuses hilarantes inutiles - mais votre structure moléculaire même', Sutter a dit . « Dans le champ d'un magnétar, vous vous dissolvez en quelque sorte. »

Avec la densité la plus élevée de tous les objets spatiaux connus, les étoiles à neutrons peuvent rayonner à travers la galaxie.

Avec la densité la plus élevée de tous les objets spatiaux connus, les étoiles à neutrons peuvent rayonner à travers la galaxie.(Crédit image : par Karl Tate, artiste en infographie)

Étoiles qui s'écrasent

Comme les étoiles normales, deux étoiles à neutrons peuvent orbiter l'une autour de l'autre. S'ils sont assez proches, ils peuvent même s'enrouler vers leur perte dans un phénomène intense connu sous le nom de ' kilonova . '

La collision de deux étoiles à neutrons a fait entendre des ondes dans le monde entier en 2017, lorsque les chercheurs ont détecté des ondes gravitationnelles et de la lumière provenant du même écrasement cosmique. La recherche a également fourni la première preuve solide que les collisions d'étoiles à neutrons sont à l'origine d'une grande partie de l'or, du platine et d'autres éléments lourds de l'univers.

'L'origine des éléments chimiques les plus lourds de l'univers a déconcerté la communauté scientifique pendant assez longtemps', a déclaré Hans-Thomas Janka, chercheur principal à la MPA, dans une déclaration . « Maintenant, nous avons la première preuve observationnelle des fusions d'étoiles à neutrons en tant que sources ; en fait, ils pourraient bien être la principale source des éléments du processus r', qui sont des éléments plus lourds que le fer, comme l'or et le platine.

La puissante collision a libéré d'énormes quantités de lumière et créé des ondes gravitationnelles qui se sont propagées à travers l'univers. Mais ce qui est arrivé aux deux objets après leur écrasement reste un mystère.

'Nous ne savons pas réellement ce qui est arrivé aux objets à la fin', a déclaré David Shoemaker, chercheur principal au MIT et porte-parole de la collaboration scientifique LIGO, lors d'une conférence de presse en 2017. 'Nous ne savons pas si c'est un trou noir, une étoile à neutrons ou autre chose.'

On pense que les observations sont les premières d'une longue série à venir.

'Nous nous attendons à ce que davantage de fusions d'étoiles à neutrons soient bientôt observées et que les données d'observation de ces événements en révèlent davantage sur la structure interne de la matière', a déclaré l'auteur principal de l'étude, Andreas Bauswein, de l'Institut d'études théoriques de Heidelberg en Allemagne, a déclaré dans un déclaration .

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