Etoiles à neutrons

Qu'est-ce qu'une étoile à neutrons ?

Voici un extrait très intéressant du livre "Le destin des étoiles" de George GREENSTEIN, qui nous permet de comprendre l'étoile à neutrons. Cet article de 1983 ne reflète pas les connaissances actuelles de l'étoile à neutrons, qui passionne de plus en plus d'astrophysiciens. La densité d'une étoile à neutrons est à peu près celle du noyau atomique. Mais cette étoile ne possède pas en tous points, cette densité. En partant de sa surface vers son centre, on rencontrerait des densités de plus en plus grande. Pour se représenter plus facilement l'état de la matière à l'intérieur des étoiles à neutrons, il est instructif d'imaginer une expérience. Commençons par un bloc de matière ordinaire, de la roche, et comprimons-le pour l'amener à des densités de plus en plus grandes. Il subira alors une série de transitions vers des états de plus en plus étranges, reproduisant à chaque stade, l'état de la matière dans des régions de plus en plus profondes à l'intérieur de l'étoile.
Appliquons à un cube de roche de 1 Km de côté, une batterie de presses géantes, et comprimons le jusqu'à ce qu'il n'ait plus que 100 mètres de hauteur. Il est maintenant plus dense que n'importe quel matériau terrestre. Nous aurions bien du mal à en détacher une petit morceau de 3 cm de côté, car il pèserait près de 200 kg.

Souvenons-nous que les étoiles à neutrons, au contraire des planètes et des étoiles ordinaires, possèdent des champs magnétiques super puissants. Pour reproduire les conditions qui règnent à l'intérieur de l'étoile, appliquons à ce cube un champs magnétique aussi intense. Ce champs est tellement puissant qu'il déforme jusqu'aux atomes constituant la matière.
En l'absence de champs magnétiques, les atomes ont une forme sphérique, alors que soumis à des champs magnétiques super puissants, ils prennent une forme effilée et s'alignent d'eux-mêmes suivant des lignes de champ magnétique, comme autant de petites aiguilles placées bout à bout. Les atomes exercent des forces chimiques les uns sur les autres, s'associant en de fines et longues chaines moléculaires. La matière prend alors une structure effilée, en mèche de cheveux. C’est la première phase critique de la compression, elle correspond à la matière de la surface de l'étoile.

Image : Jets de matière et d'antimatière qui s'éloignent de l'étoile à neutron au centre de la nébuleuse du Crabe. Cette image dans les rayons X, a été prise en 2002 par le satellite Chandra. L'anneau central a un diamètre d'environ une année-lumière. Crédit : NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.

Quand les atomes n'existent plus

Le cube, d'un kilomètre de hauteur au départ, a donc été comprimé jusqu'à une hauteur de 100 mètres. Comprimons-le davantage, jusqu'à ce qu'il n'ait plus que 5 mètres de haut. Maintenant, chaque centimètre cube de cette matière super dense atteint un poids de 100 tonnes, et se retrouve dans un état tout à fait inhabituel. A cette pression, les atomes qui constituent la matière ordinaire n'existent plus. Ils sont forcés d'empiéter les uns sur les autres. Les atomes sphérique ou "en aiguilles", sont formés d'électrons en orbite autour du noyau. Mais une fois écrasés les uns sur les autres, cette structure ordonnée est détruite. C’est exactement ce qui se passerait si l'on pressait deux maisons en briques l'une contre l'autre. Cela correspond à la seconde phase critique de la compression. Au cours de cette phase, la matière se retrouve dissoute en un mélange homogène, uniforme, de composants atomiques: les électrons et les noyaux. Elle n'est plus soumise aux lois de la chimie. Par exemple, la matière ne peut plus bruler, elle n'est ni acide ni basique, elle n'a pas de saveur. Ce sont là des propriétés purement chimiques de la matière, et la chimie résulte des interactions entre les atomes, mais les atomes ont disparu. Cette matière forme un solide, à cause des forces que les noyaux exercent les uns sur les autres.

Ces forces sont très simples. possèdent une charge électrique positive, et les charges de même signe se repoussent. Les noyaux essaient alors de s'éviter entre eux. La situation la plus favorable est celle dans laquelle chaque noyaux se trouve le plus éloigné possible de ses voisins. Cet ensemble, dans lequel chaque particule repousse et est repoussée par, toutes les autres, se comporte exactement comme une foule entassée dans le métro: pour éviter le contact, les gens restent immobiles. La matière est gelée: non qu'elle soit froide, mais parce qu'elle est dense.
L'étoiles à neutrons, comme la Terre, possède une croute externe. Cette croute commence quelques mètres à peine sous la surface de l'étoile, et se prolonge sur quelques kilomètres vers l'intérieur.

Les noyaux absorbent les électrons

Le cube d'un kilomètre de côté a maintenant atteint une hauteur de 5 mètres. Poursuivons la compression. Les noyaux commencent alors à absorber les électrons. Un noyau atomique comprend à peu près autant de neutrons que de protons, sous l'effet de la compression, les protons réagissent maintenant avec les électrons qu'ils absorbent pour former encore plus de neutrons. Lentement, continument, la matière ordinaire se comprime en matière neutronique. Comprimons le cube jusqu'à ce qu'il atteigne 50 centimètres de côté.
Chaque centimètre cube pèse 100 000 tonnes. C’est encore un solide, et il est maintenant presque entièrement constitué de noyaux riches en neutrons, avec quelques électrons résiduels. Mais à cette densité, nous rencontrons la troisième phase critique de la compression, les neutrons commencent à entrer en ébullition autour des noyaux.
Les noyaux se sont tellement enrichis de neutrons qu'ils se retrouvent incapables de les contenir tous. Un à un d'abord, puis en nombre sans cesse croissant à mesure qu'augmente la densité, les neutrons s'échappent de leurs noyaux comme les abeilles de la ruche. Ils remplissent les espaces entre les noyaux. Ils se déplacent librement. Ils s'écoulent dans tous les sens. Ils forment un superfluide (voir nota).

Au delà de la troisième phase critique de la compression, la matière est constituée d'un solide coexistant avec un superfluide.
Le superfluide neutronique s'infiltre dans le solide, puis diffuse dans tous les sens.
Nous décrivons ici la croute interne de l'étoile à neutrons. Située juste en dessous de la croute externe, elle est baignée par le superfluide de neutrons, véritable océan souterrain.

nota: Il n'existe qu'un seul superfluide sur Terre, et de plus il est extrêmement rare, c’est l'Hélium ordinaire.
A 4 degrés au-dessus du zéro absolu (-269°C), il se liquéfie. A 2 degré au-dessus du zéro absolu, il passe de l'état de fluide ordinaire à celui de superfluide. La plus surprenante des propriétés de ce superfluide est son absence totale de viscosité. Cette propriété fait que les mouvements de tourbillons dans les fluides sont obligés de disparaitre. L'eau possède une viscosité moyenne, si nous remuons de l'eau dans une baignoire, son mouvement se maintiendra quelques minutes. Le miel possède une grande viscosité et les mouvements tourbillonnaires y cessent immédiatement.
L'Hélium superfluide, lui, ne possède aucune viscosité. Si on agitait un bain d'Hélium superfluide, les déformations s'y maintiendraient pendant des mois.

Image : Illustration de l'électron.
L'électron n'a pas de localisation précise. Il apparait et disparait en permanence dans le vide, dans une espèce de vague intemporelle, à la fois un peu ici et un peu là.

Désagrégation des noyaux...

Continuons notre compression imaginaire...
Comprimons le cube jusqu'à ce qu'il ait 5 centimètres de côté. 10 milliards de tonnes de matière se retrouvent enfermés dans ce volume. Les noyaux sont si proches maintenant qu'ils se touchent les uns les autres. Ils s'interpénètrent. Ils se mélangent et perdent leur identité.
Au delà de cette quatrième phase critique de la compression, les noyaux se sont complètement désagrégés en une soupe homogène, presque entièrement composée d'un superfluide de neutrons, avec quelques traces de protons et d'électrons libres.
Le solide a été dissous par la compression. A ce stade, nous avons atteint une zone se trouvant à peu près à mi-chemin entre la surface et le centre de l'étoile, et ce point marque la limite inférieure de la croute de l'étoile. Au dessous de cette frontière, un océan de neutrons superfluide s'étend jusque dans les profondeurs de l'étoile. Plongeons dans cet océan, vers le cœur de l'étoile. En fait, la densité n'augmente pas de beaucoup.

Par rapport à notre expérience imaginaire, les conditions au centre même de l'étoile sont équivalentes à réduire le cube à un quart de sa taille actuelle. Cela fait une augmentation de densité relativement modeste. Mais par suite de cette augmentation, une chose importante se produit. Nous atteignons les limites de notre connaissance. Avec cet accroissement de densité, un nombre incalculable de particules élémentaires apparait à l'intérieur de l'étoile. Plus elle est dense, plus les neutrons qu'elle contient se déplacent rapidement; au centre de l'étoile, ils sont tellement rapides que, à chaque fois qu'ils entrent en collision, une gerbe de particules nouvelles apparait. Sur Terre, ces étranges particules ne sont que très rarement créées, au cours d'expériences dans les accélérateurs de particules géants. Mais dans l'étoile, cela se produit constamment.

Image : Simulation de collision de particules faisant apparaitre une multitude de particules complexes évanescentes.

Aux frontières de la connaissance...

La physique des particules élémentaires est un domaine situé aux frontières de la connaissance actuelle. On connait pratiquement plusieurs centaines de particules exotiques; mais aucune n'est comprise en détail. La raison en est qu'elles ne vivent pas assez longtemps pour être correctement étudiées. Une fois créées dans un accélérateur, elles se désintègrent en d'autres particules exotiques qui elles mêmes ne survivent que très peu de temps avant de se désintégrer à leur tour. Le méson pi, par exemple, survit en moyenne à peine 300 millionièmes de seconde, et il vit relativement longtemps par rapport aux autres particules de son espèce. Cependant, au cours de leur brève existence, ces particules exercent les unes sur les autres des forces d'une grande complexité, et interagissent de manières diverses. Ces nouvelles particules élémentaires se désintègrent dans un laboratoire, mais pas dans une étoile à neutrons.

Sous de grandes pressions, elles deviennent stables. Elles sont extrêmement nombreuses à occuper les grandes profondeurs de l'étoile.
Le centre même d'une étoile à neutrons est constitué d'une matière dont nous comprenons à peine les propriétés. Mais il y a plus bizarre encore, cette matière est plus dense qu'une particule élémentaire.
Elle se trouve soumise à une pression telle que ses constituants fondamentaux sont comprimés les uns sur les autres. Tout objet dans la vie quotidienne, même aussi dense qu'un bloc de plomb, contient une bonne quantité de vide. Les particules individuelles, qui forment la matière ordinaire, ne se touchent pas. C’est également vrai au cœur du Soleil ou dans les profondeurs des planètes. Mais dans une étoile à neutrons la matière est complètement comprimée, il n'y a plus d'espace vide. Mais même à ce stade nous n'avons pas encore atteint le centre de l'étoile...

Image : Centre de contrôle du LHC, crédit : CERN

Découverte du premier pulsar

Les pulsars sont des cadavres d'étoiles, des naines extrêmement denses qui tournent sur elle-même, beaucoup plus vite que les autres étoiles (de 10 à 1000 fois par seconde).
Leur lumière balaie l'espace comme un phare maritime. C’est en 1967 avec un radiotélescope sensible aux scintillements, que Jocelyne Bell, une étudiante d'Hewish, décèle une anomalie dans le fourmillement des ondes radio: le scruff.
Jocelyne Bell chercha le scruff pendant des mois et découvrit une série de pulsations régulières.
Ces impulsions paraissaient trop régulières pour être naturelles. Cette horloge de 1,33 seconde était trop parfaite pour provenir d'un processus naturel.
Au début les scientifiques se demandaient si ce n'était pas là, les signes d'une intelligence. Hewish grâce à l'effet doppler, mit fin à cet espoir de signaux provenant d'une autre civilisation. Par la suite plusieurs pulsars ont été découverts. Les radiosources proviennent d'étoiles à neutrons et un pulsar est une étoile à neutrons en rotation rapide, correspondant au cœur effondré d'une étoile massive ayant explosé en supernova en fin de vie. En général l'explosion d'une supernova laisse un objet céleste super compact en son cœur appelé SNR (Super Nova Reste).

C'est le FGST (Fermi Gamma-ray Space Telescope) de la Nasa qui a découvert pour la première fois un pulsar, dont le nom vient de l'abréviation de pulsating radio source. Cette étoile à neutrons en rotation rapide, sur l'image ci-contre est âgée de 10 000 ans, elle clignote environ trois fois par seconde en expulsant ses rayons gamma dans l'espace.
Cinq équipes françaises de l'IN2P3/CNRS, du CEA/Irfu et de l'Insu/CNRS ont participé à l'analyse et l'interprétation de ces résultats, publiés dans la revue Science (La science Express du 16 octobre 2008).
Les astronomes ont recensé presque 1 800 pulsars dans la Voie Lactée. Ces pulsars ont été trouvés grâce à leurs signaux radio ou à leurs faibles pulsations en lumière visible et en rayons X.

Image : Le télescope Fermi a découvert ce pulsar grâce à son émission gamma. Le pulsar se trouve dans les vestiges de la supernova CTA1, située à environ 4 600 années-lumière dans la constellation de Céphée. Crédit Nasa /S. Pineault, DRAO