Magnétars: Quand une étoile à neutrons devient une bombe magnétique

Magnétar: étoile à neutrons au champ magnétique colossal émettant un sursaut gamma — Vue d'artiste d'un magnétar en plein sursaut, libérant en quelques dixièmes de seconde une énergie comparable à celle que le Soleil rayonne en plusieurs centaines de milliers d'années. La croûte stellaire, déformée par un champ magnétique de plusieurs centaines de milliards de teslas, se fracture en un séisme cosmique qui illumine la Galaxie de rayons X et gamma.
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Qu'est-ce qu'un magnétar ?

Parmi tous les objets de l'Univers, les magnétars figurent sans conteste parmi les plus violents. Ce sont des étoiles à neutrons dotées d'un champ magnétique si intense qu'il surpasse de plusieurs ordres de grandeur celui de n'importe quelle autre étoile. Un magnétar peut atteindre \(10^{11}\) teslas, soit environ 1,5 million de milliards de fois le champ magnétique terrestre (25 et 65 microteslas, soit 0,25 à 0,65 gauss).

À des intensités aussi extrêmes, le champ magnétique ne se limite plus à une simple propriété physique. Il modifie la structure des orbitales atomiques, polarise le vide quantique et, d’après les prévisions de l’électrodynamique quantique, peut conférer au vide une biréfringence, le rendant capable de dévier la lumière selon sa polarisation. À de tels niveaux d’énergie, la stabilité même de la matière est remise en question: les atomes s’allongent en fins cylindres alignés le long des lignes de champ, perdant toute ressemblance avec leur configuration habituelle.

Comment naît un magnétar ?

L’effondrement d’une étoile massive

La naissance d’un magnétar est étroitement liée à celle des étoiles à neutrons. Lorsqu’une étoile massive, dont la masse initiale dépasse environ huit à vingt masses solaires, a épuisé ses réserves nucléaires, son cœur s’effondre en une fraction de seconde. La matière se comprime alors à des densités extrêmes: une simple cuillère à café de cette matière pourrait peser près d’un milliard de tonnes. De cet effondrement naît une étoile à neutrons, un objet d’environ 20 kilomètres de diamètre, mais contenant une masse supérieure à celle du Soleil.

Pourquoi certaines étoiles à neutrons deviennent-elles des magnétars ?

Pourtant, toutes les étoiles à neutrons ne deviennent pas des magnétars. Une question persiste: pourquoi certaines développent-elles un champ magnétique aussi intense? Deux mécanismes principaux sont aujourd’hui proposés par les astrophysiciens.

Le mécanisme de l’effet dynamo

Le premier repose sur l’effet dynamo. Au moment de l’effondrement, si le cœur de l’étoile progénitrice tourne suffisamment vite, la matière en fusion entre dans un régime de convection turbulente intense. Ces mouvements de matière conductrice, combinés à une rotation rapide, amplifient de manière exponentielle le champ magnétique initial en quelques dizaines de millisecondes. Les simulations réalisées par Robert Duncan et Christopher Thompson à partir de 1992 ont démontré que ce processus, sous certaines conditions de rotation initiale, pouvait générer des champs magnétiques de l’ordre de 10^11 teslas, en accord avec les observations.

L’héritage magnétique de l’étoile progénitrice

Le second mécanisme, plus récent, suggère que le champ magnétique exceptionnel du magnétar pourrait en partie provenir de l’étoile progénitrice. Certaines étoiles massives, appelées étoiles Ap magnétiques, possèdent déjà des champs magnétiques inhabituellement puissants. La conservation du flux magnétique lors de l’effondrement du cœur, combinée à la réduction drastique du rayon de l’objet (passant de plusieurs centaines de milliers de kilomètres à une vingtaine), suffirait à amplifier ce champ initial d’un facteur de l’ordre de (R_étoile/R_neutrons)^2, soit environ 10^10.

Les sursauts et éruptions: signature des magnétars

C'est par leurs manifestations énergétiques que les magnétars se signalent à nos instruments. On distingue plusieurs types d'événements.

Les sursauts doux gamma (SGR (soft Gamma Repeater: source répétant des sursauts de rayons gamma de faible énergie)) sont des émissions brèves, récurrentes, de rayons X et gamma de relativement faible intensité. Ils signalent une activité magnétique soutenue, liée à des réajustements de la croûte ou à des déformations des lignes de champ dans la magnétosphère.

Les éruptions géantes constituent les événements les plus spectaculaires. Trois ont été détectées à ce jour dans notre Galaxie ou ses voisines immédiates. La plus célèbre, survenue le 27 décembre 2004 en provenance de SGR 1806-20, a été suffisamment puissante pour ioniser partiellement la haute atmosphère terrestre depuis une distance d'environ 50 000 années-lumière. Bryan Gaensler (1973-) et ses collaborateurs ont estimé que cette éruption avait libéré en 0,2 seconde une énergie équivalente à celle du Soleil pendant 250 000 ans.

Enfin, certains magnétars ont été associés à des sursauts radio rapides. En 2020, la détection du FRB 200428 en provenance du magnétar SGR 1935+2154, situé dans notre propre Galaxie, a fourni pour la première fois une preuve directe que les magnétars peuvent produire de tels sursauts.

Comparaison des étoiles à neutrons: pulsars, magnétars et étoiles X isolées

Les étoiles à neutrons se présentent sous plusieurs visages selon leur champ magnétique et leur activité rotationnelle. Le tableau suivant compare leurs principales propriétés.

Comparaison des principales catégories d'étoiles à neutrons
Type	Champ magnétique (T)	Période de rotation	Durée de vie active	Exemple	Particularité
Pulsar radio(étoile à neutrons en rotation rapide émettant des impulsions radio régulières)	\(10^7 - 10^9\)	1,4 ms à plusieurs secondes	10 à 100 millions d'années	PSR B1919+21	Premier pulsar découvert (1967), par Jocelyn Bell Burnell (1943-).
Millisecond pulsar(pulsar dont la période de rotation ralentit très lentement, stable sur de longues durées)	\(10^5 - 10^8\)	1,4 ms à 30 ms	Plusieurs milliards d'années	PSR J0437-4715	Recyclé par accrétion d'une étoile compagne.
SGR (Soft Gamma Repeater)(soft Gamma Repeater: étoile à neutrons produisant des sursauts répétitifs de rayons gamma doux)	\(10^{10} - 10^{11}\)	2 à 12 secondes	10 000 à 100 000 ans	SGR 1806-20	Éruption géante de 2004, la plus énergétique jamais détectée dans notre Galaxie.
AXP (Anomalous X-ray Pulsar)(anomalous X-ray Pulsar: magnétar détecté principalement en rayons X sans compagne visible)	\(10^{10} - 10^{11}\)	5 à 12 secondes	10 000 à 100 000 ans	1E 2259+586	Émet des rayons X persistants sans nécessiter d'accrétion d'une compagne.
INS (Isolated Neutron Star)(isolated Neutron Star: étoile à neutrons froide, sans émission radio détectée)	\(10^9 - 10^{10}\)	3 à 11 secondes	Plusieurs millions d'années	RX J1856.5-3754	Détectable uniquement en rayons X thermiques, sans émission radio ni gamma.

N.B. :
SGR et AXP sont aujourd'hui considérés comme deux manifestations observationnelles d'une même catégorie d'objets: les magnétars. La distinction historique reflète la méthode de détection initiale plutôt qu'une différence physique fondamentale. Les durées de vie actives sont très courtes à l'échelle cosmique, car le champ magnétique se dissipe rapidement, ralentissant l'étoile jusqu'à l'extinction de son activité.