Pulsar

Le pulsar est une étoile à neutrons

Les étoiles à neutrons sont très petites mais très denses (1 milliard de tonnes par centimètre cube).
Elles concentrent la masse d'une étoile comme le Soleil dans un rayon d'environ 10 km, correspondant à ce que l'on appelle la masse de Chandrasekhar.
Ce sont les vestiges d'étoiles très massives de plus de dix masses solaires. Lorsqu'une étoile massive arrive en fin d'existence, elle s'effondre sur elle-même, en produisant une impressionnante explosion appelée supernova. Cette explosion disperse d'énormes quantités de matière dans l'espace mais épargne le cœur de l'étoile. Ce cœur se contracte et se transforme en grande partie en une étoile à neutrons. Ces objets, appelés magnétars ou magnétoiles, possèdent des champs magnétiques très intenses. Le long de l'axe magnétique se propage des particules chargées, électrons par exemple, qui produisent un rayonnement synchrotron.
Si elle tourne rapidement sur elle-même elle projette alors le long de son axe magnétique un mince pinceau de radiations, on l'appellera alors "pulsar".

N. B. : la Limite de Chandrasekhar est la masse au delà de laquelle une étoile froide en fin de vie s'effondre en trou noir. Les naines blanches les plus massives ont une masse égale à 1,4 fois celle du Soleil. Toute étoile de masse inférieure évoluera tranquillement en naines blanches une fois épuisé son combustible nucléaire. Si sa masse est supérieure elle subit une implosion catastrophique en quelques secondes elle se transforme en pulsar ou en trou noir.

Image : IC 443 fait suite à une explosion stellaire, le destin final des étoiles massives. Sur cette fausse image en couleur composite, on aperçoit les vestiges de la supernova encore vibrants dans l'ensemble du spectre radio (en bleu), optique (en rouge) et en rayons x (en vert). IC 443 est également connue sous le nom de Jellyfish nébuleuse, l'image couvre environ 65 années-lumière. IC443 est située à la distance estimée de 5 000 années-lumière. Crédit image : Chandra xray

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 le 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. John Pilkington réussit à mesurer la distance de la Terre au pulsar, 1000 al. 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 découvert. 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, 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

La nébuleuse du Crabe ou M1 ou NGC 1952

La nébuleuse du Crabe ou M1 est le résultat caractéristique d'une explosion d'étoile ou les restes de matière visible de l'explosion d'une supernova. Cette supernova a explosé en 1054, observée par plusieurs astronomes d'Extrême-Orient de juillet 1054 à avril 1056. Ces filaments mystérieux, sont non seulement extrêmement complexes, mais semblent avoir moins de masse que la supernova originale et une vitesse plus élevée que prévu. Elle est située à une distance d'environ 2 kiloparsecs soit 6 300 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Taureau. La nébuleuse a un diamètre de 11 années-lumière et sa vitesse d'expansion est de 1 500 km/s. C'est le premier objet astronomique à avoir été identifié à une explosion de supernova. En plein centre de la nébuleuse se trouve un pulsar, c'est-à-dire une étoile à neutrons tout aussi massive que le Soleil mais avec seulement la taille d'une petite ville. Le Pulsar du Crabe tourne sur lui-même à la vitesse de 30 fois par seconde. Il rayonne environ 200 000 fois plus d'énergie que le Soleil et ceci dans une gamme de fréquence extrêmement vaste. Une supernova est le phénomène visible, directement issus de l'explosion cataclysmique d'une étoile qui aboutit à sa destruction totale et donc à la mort de l'étoile.

Cette explosion s'accompagne d'une augmentation gigantesque de sa luminosité vue de la Terre, qui peut durer jusqu'à plusieurs semaines et même plusieurs mois. Elle est visible en plein jour et la nuit, elle peut être aussi brillante que la lune et même donner une ombre aux objets. Une supernova apparait donc souvent comme une étoile nouvelle, d'où son nom, nova. Les supernovae sont des évènements rares dans notre voie lactée, environ une à trois par siècle, par contre à l'échelle de l'univers, on en observe tous les jours. C'est lors de son explosion en supernova que l'étoile libère les éléments chimiques qu'elle a synthétisé au cours de son existence et lors de l'explosion elle-même. L'onde de choc de la supernova favorise la formation de nouvelles étoiles en accélérant la contraction de régions de gaz et de poussières du milieu interstellaire. Les novas, à la différence des supernovas sont issues des explosions thermonucléaires qui provoquent une destruction partielle de l'étoile en expulsant une partie de sa surface dans l'espace interstellaire.

Image : La nébuleuse du Crabe ou M1 est le résultat caractéristique d'une explosion d'étoile. La mort d'une étoile peut être douce ou violente, cela dépend de sa masse. Image prise par le télescope spatial Hubble.

Le gant du pulsar

PSR B1509-58 est un pulsar plutôt jeune car la lumière de la supernova qui lui a donné naissance aurait atteint la Terre il y a 1 700 ans. Il a d'abord été détecté comme source de rayons X par le satellite Uhuru, puis comme source pulsante par le satellite Einstein en 1982 puis observé dans le domaine radio. Son émission radio étant relativement faible, sa découverte dans le domaine radio n'aurait pas été possible sans sa découverte préalable dans le domaine des rayons X. Cette étoile à neutrons de 20 km de diamètre tourne sur elle-même 7 fois par seconde, cette dynamo cosmique alimente un vent de particules chargées. Sur cette image le vent énergétique engendre le rayonnement X de la nébuleuse, en haut de l'image de l’observatoire spatial Chandra. Les rayons X de basse énergie sont colorés en rouge, les énergies intermédiaires sont en vert et les hautes énergies en bleu.

Le pulsar lui-même se trouve au cœur de la région centrale brillante, au bas de la structure complexe qui évoque irrésistiblement une main tendue ou un gant. PSR B1509-58 se trouve à quelque 17 000 années-lumière de la voie lactée, dans la constellation australe du Compas. À cette distance, l’image de Chandra couvre un champ de 100 années-lumière de large.

Image : Crédit: P. Slane (Harvard-Smithsonian CfA) et al., CXC, NASA