Un pendule sans chaleur : l'énigme aux rayons X de PSR J0901-4046 ✛
En 1967, les astronomes ont capté le premier signal radio d'un phare cosmique lointain : un pulsar. Depuis, des milliers de ces vestiges stellaires ont été découverts, balayant l'espace de leurs faisceaux tels des tirs de revolver. Mais les lents transitoires radio récemment détectés, comme PSR J0901-4046 avec sa période de 75,9 secondes, ont semé le doute dans ce tableau bien ordonné. Cet objet tourne beaucoup trop lentement pour que le mécanisme classique de génération d'ondes radio fonctionne. Pour arracher des paires électron-positron du vide, il faut un potentiel électrique supérieur à 10¹² volts, ce qu'on appelle la « ligne de mort ». Or, pour un pulsar aussi lent, ce potentiel atteint à peine 3×10¹¹ volts, car il est proportionnel à (ΩR/c)², où c est la vitesse de la lumière. Un tel pendule ne devrait tout simplement pas sonner.
Mais la nature a trouvé une échappatoire : si à l'intérieur il n'y a pas une étoile à neutrons, mais une naine blanche à rotation rapide — un noyau d'étoile éteinte comprimé à la taille de la Terre —, son énorme moment d'inertie compenserait la lenteur de la rotation. Le potentiel serait alors largement suffisant. Les laboratoires terrestres ne savent pas créer de tels objets, mais théoriquement, ils devraient naître après des supernovae, comme le prédisait Fritz Zwicky dès les années 1930. Et l'argument décisif est venu des observations profondes de l'observatoire spatial Chandra, menées grâce à une spectroscopie des rayons X d'une sensibilité extrême. L'idée est simple : si le phare émet, sa « chaleur » — le rayonnement X issu de la perte d'énergie rotationnelle — devrait être visible. Mais le télescope n'a détecté aucun photon.
La sensibilité de Chandra a permis d'établir une limite supérieure de luminosité : moins de 7×10²⁸ erg/s. Pour une naine blanche qui perdrait de l'énergie de rotation, la luminosité attendue serait des centaines de fois supérieure. Son modèle est donc exclu. Mais pour une étoile à neutrons avec son petit moment d'inertie, la luminosité de spin-down est de 2×10²⁸ erg/s — presque la limite supérieure. Cela signifie qu'il n'y a pratiquement pas de chaleur en rayons X, et donc que l'émission n'est pas due à la rotation. Nous avons affaire à un autre moteur : la reconnexion magnétique dans des champs ultra-intenses, semblable à ce qui se passe dans un magnétar. Ce mécanisme peut accélérer des particules même dans une magnétosphère presque statique, et l'existence même de PSR J0901-4046 efface l'ancienne « ligne de mort ».
La découverte de transitoires à longue période n'est que le début d'un grand voyage dans le monde de la physique extrême. Les futurs relevés du ciel avec des radiotélescopes de la classe du Square Kilometre Array enrichiront la population, et des observations conjointes avec les détecteurs d'ondes gravitationnelles aideront à comprendre comment naissent ces monstres magnétiques. Peut-être sommes-nous en train de trouver la voie vers une théorie unifiée de l'émission des objets compacts, reliant les pulsars ordinaires, les trous noirs et les mystérieux sursauts radio rapides. Et alors, les vieilles équations, qui prennent même en compte les infimes effets de dilatation du temps dans un champ de gravité, révéleront de nouvelles couleurs. Notre galaxie s'avère plus riche en mystères que nous ne le pensions.
La luminosité de spin-down de PSR J0901-4046 n'est que de 2×10²⁸ erg/s, soit dix fois moins que la puissance rayonnée par le Soleil. Comme une ampoule cosmique de 2 watts, scintillant d'impulsions radio.
Dans le roman de Robert Forward, « L'Œuf du Dragon », une forme de vie évolue à la surface d'une étoile à neutrons, où le temps s'écoule un million de fois plus vite. Nos recherches sur les pulsars lents sont un pas vers la compréhension de ces mondes exotiques.