10/03/2012 - Terzan 5, l'étoile à neutrons qui 'obéit' aux astrophysiques

Menéame

Une recherche menée par l’Espagnol Manu Linares, du MIT, a découvert la première étoile à neutrons qui explose selon le modèle théorique prévu dans les années 70. La découverte révèle des détails inédits sur l’importance de la rotation dans les explosions stellaires.

Les physiciens se méfient des détails qu’ils ne finissent pas d’intégrer. Ils ne peuvent pas les ignorer aussi petits qu’ils soient. Ils craignent l’existence d’une erreur fondamentale dans leurs modèles et théories. C’est pourquoi, après plus de trois décennies d’incertitude, les experts des étoiles à neutrons respirent un peu plus calmement grâce à l’étude publiée dans The Astrophysical Journal par l’Espagnol Manu Linares de l’Institut technologique du Massachusetts (MIT).

Terzan 5 est la première étoile à neutrons à se comporter comme la théorie prédit: à un rythme d’acrétion plus rapide, explosions plus fréquentes

Le mystère qui entrait dans les étoiles à neutrons était le suivant: depuis les années 70, les astrophysiques les ont étudiées à partir des explosions qui se produisent dans leurs couches extérieures. Mais les étoiles à neutrons n’explosaient pas comme ils pensaient qu’ils devaient le faire. Jusqu'à ce que Terzan 5, celle qui a étudié Linares, leur donne enfin une joie.

Pompes à énergie

Les étoiles à neutrons sont l’objet observé le plus dense qui existe dans l’univers. Ce sont des masses semblables à notre Soleil mais compressées dans un rayon de 8 à 15 kilomètres. En lui-même, la force de la gravité est des milliards de fois plus grande que la terre. La pression énorme compacte des atomes jusqu'à ce que protons et électrons se fondent en formation de neutrons. La température et la densité sont si extrêmes que ces neutrons pourraient se casser et libérer leurs quarks.

Les astrophysiques sont très intéressés parce que leurs conditions n’existent nulle part ailleurs dans l’univers observable. "C’est comme un laboratoire naturel qui nous permet de rechercher les lois de la physique dans une gamme d’énergies, de densités et de champs magnétiques inaccessibles sur Terre," explique Manu Linares à SINC.

Cercle vicieux jusqu'à l’explosion

Lorsqu'une étoile à neutrons se trouve près d’une autre étoiles conventionnelles, elle absorbe du plasma de ses couches extérieures qui sera compacté à la surface de l’étoile de neutrons à raison de 100 kilogrammes de matière par seconde et centimètre carré. Comme cette matière s’accumule, la densité devient plus intense, la température augmente, et des réactions thermonucléaires violentes commencent à se produire.

Les atomes d’hydrogène se fusionnent en hélium, et les atomes d’hélium se fusionnent dans des atomes plus lourds. Ce sont des conditions extrêmes, mais pendant un certain temps le processus est stable: l’énergie se dissimule de l’étoile au même rythme qu’elle est générée.

"Toutes les étoiles à neutrons étudiées jusqu'à présent tournaient à une fréquence comprise entre 200 et 600 rotations par seconde. Au lieu de Terzan 5 le fait seulement à 11 rotations par seconde"

Cependant, lorsque l’on atteint une masse critique à la surface de l’étoile à neutrons, ces réactions deviennent instables: de l’énergie est produite plus vite que ce qui peut s’échapper.

Ensuite, le processus s’accélère de manière dramatique et s’enfonce dans un cercle vicieux: plus de réactions de fusion, plus de densité, plus de température; plus de réactions fusion, plus grande densité, plus température; jusqu'à ce qu’en quelques secondes se produise une explosion brutale qui, entre autres choses, génère les rayons X que les astrophysiques utilisent pour étudier les étoiles à neutrons.

Mais on peut supposer que plus la matière s’accumule rapidement sur la surface de l’étoile, plus la masse critique sera atteinte et plus les explosions seront fréquentes. Cependant, dans 100 étoiles à neutrons étudiées depuis les années 70 jusqu'à ce jour, cela n’a jamais été accompli jusqu'au travail de Manu Linares.

" Ce que nous observions, c’est que lorsque l’acréation des matériaux était lente, les explosions se produisaient comme le prédit le modèle. Mais quand elle s’accumulait rapidement, les explosions étaient moins fréquentes, voire inexistantes. Et nous ne comprenons pas pourquoi," explique Linares.

La rotation est la clé

Dans l’étude publiée le 20 mars 2012 dans The Astrophysical Journal, les chercheurs du MIT, de l’Université McGill, du Minnesota et d’Amsterdam proposent une explication au mystère du manque d’explosions.

"La clé est dans la rotation," explique Linares. "Toutes les étoiles à neutrons étudiées jusqu'à présent tournaient à une fréquence comprise entre 200 et 600 rotations par seconde. Au lieu de Terzan 5 le fait seulement à 11 rotations par seconde."

Terzan 5 est la première étoile à neutrons à se comporter comme la théorie prédit: à un rythme d’acréation plus rapide, explosions plus fréquentes. Et la principale différence avec celles observées jusqu'à présent est sa vitesse de rotation relativement lente.

"Cela nous force à penser que dans nos modèles pour décrire des étoiles à neutrons nous avons sous-estimé la rotation," nuance Linares. Cela forcera une révision des modèles actuels.

Les détails sont importants

Il y a plusieurs hypothèses pour expliquer pourquoi de fortes vitesses de rotation empêchent les explosions sur des étoiles à neutrons. Il se peut qu’une rotation plus poussée de la friction entre les couches entraîne une augmentation de température localisée qui affecte les réactions thermonucléaires. Une autre option est l’apparition de turbulences qui mélangent le contenu des couches supérieures et intérieures.

Manu insiste sur le fait que "l’origine des explosions thermonucléaires est fondamentale parce que c’est exactement ce que nous utilisons pour étudier l’intérieur des étoiles à neutrons."

Nous ne comprenons pas bien comment la matière se comporte à des énergies aussi élevées que celles de l’intérieur d’une étoile à neutrons. Un détail comme connaître sa taille exacte peut nous donner des indications sur le degré de compactage des particules et servir à voir si nos lois physiques sont respectées dans ces conditions.

"La nature nous fournit un laboratoire unique, mais pour tirer des conclusions, nous devons bien comprendre comment fonctionne l’expérience," conclut Linares.

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