géométrie du plasma de magnétar

Dans un système binaire, la naine blanche aspire le gaz de son étoile voisine comme un aspirateur. Si la naine possède un champ magnétique, le gaz ne tombe pas n'importe où : il s'écoule vers les pôles, comme la limaille de fer vers un aimant. Là, il s'accumule en un amas. Mais qu'est-ce qui empêche cet amas de s'étaler ?

Deux danseurs sur une même scène : l'un tire son partenaire d'un côté, l'autre dans la direction opposée. Dans le cristal Cu2(OH)3Br, connu sous le nom de botallackite, les atomes de cuivre s'alignent en chaînes où les spins (moments magnétiques) des ions voisins s'orientent soit parallèlement, comme dans un ferromagnétique, soit antiparallèlement, comme dans un…

Le sculpteur regarde un bloc de marbre et y voit une figure à libérer de l'excédent. Au lieu d'ajouter de l'argile, il enlève tout ce qui n'appartient pas à la forme.

Une plaque de cuivre de la taille d'une pièce de monnaie s'évapore sous l'impact du laser en quelques milliardièmes de seconde. Le nuage chaud de cuivre percute l'hélium froid, comme un jet de vapeur dans l'air glacial.

Une naine blanche est le noyau refroidi d'une étoile comme le Soleil. Son destin est déterminé par sa masse : il existe une limite claire de Chandrasekhar (environ 1,4 masse solaire), au-delà de laquelle l'étoile s'effondre davantage.

Un miroir magnétique est un tube ouvert aux deux extrémités. Le champ magnétique y est conçu pour empêcher le plasma chaud de s'échapper : il se resserre aux extrémités, comme un bouchon dans une bouteille. Les particules de plasma qui volent vers la sortie sont repoussées par ces « bouchons » et reviennent en arrière.

Le rayon de l'étoile chute de mille kilomètres. Non pas parce que sa masse a augmenté, mais parce que son propre champ magnétique a comprimé la croûte, tel un corset invisible.

10¹⁵ gauss — c'est l'intensité du champ magnétique détecté sur certaines naines blanches. C'est des milliards de fois plus fort que ce qu'indique une boussole sur Terre. Une naine blanche n'est pas une étoile au sens habituel, mais un noyau refroidi de la taille d'une planète.

Un champ magnétique de 42 teslas, environ un million de fois plus intense que celui de la Terre. Dans un tel champ, le cristal SrCu₂(BO₃)₂ se comporte de manière inhabituelle : son aimantation n'augmente pas progressivement mais par sauts, se figeant à certaines valeurs.

Une cascade qui ne se réchauffe pas en tombant mais qui gèle : c'est à peu près ce que fait le gaz qui s'écoule sur une étoile à neutrons dans un pulsar à rayons X lorsque l'étoile brille faiblement. D'habitude, la matière qui tombe s'échauffe jusqu'à devenir incandescente, mais une nouvelle étude montre l'inverse.

Dans un cristal que l'on appelle depuis des siècles « l'or des fous », des physiciens ont aperçu un véritable trésor. Le composé MnTe2, de structure pyrite, est devenu la scène d'un ballet quantique : les ondes de spin s'y enroulent en tourbillons gauchers et droitiers, et le sens de l'enroulement est intimement lié à l'impulsion.

L'espace est parcouru de champs magnétiques. On en trouve autour des galaxies, des étoiles, et même dans les vides cosmiques (les immenses espaces vides entre les amas de galaxies). On considère généralement que ces champs sont amplifiés à partir de champs « germes » faibles grâce à la turbulence, un peu comme une dynamo.

La lumière d'un blazar lointain (un noyau actif de galaxie qui projette un jet dans notre direction) voyage vers nous pendant des milliards d'années. En chemin, elle génère des gerbes de particules chargées que le champ magnétique intergalactique dévie sur les côtés.

Une étoile morte dont le champ magnétique est des milliards de fois plus intense que celui de la Terre : voilà un magnétar. Sa croûte se fissure, libérant dans l'espace un puissant sursaut de rayons X. Mais une partie de cette lumière ne nous parvient pas sous sa forme habituelle.

Une tache solaire se refroidit, et au-dessus d'elle, un filament sombre — une protubérance — reste suspendu pendant des semaines. À l'intérieur, comme un ressort comprimé, se cache un champ magnétique. Il peut être disposé en arches régulières, ou tordu en un câble serré.

Les géantes rouges sont des étoiles vieillissantes qui ont gonflé. Dans leurs entrailles bouillonne un océan de plasma : la chaleur remonte du noyau vers la surface, engendrant des vagues semblables à un puissant ressac.

Les étoiles à neutrons sont des sphères ultra-denses formées des restes d'étoiles explosées. Certaines d'entre elles sont observées comme des pulsars — des phares cosmiques émettant des sursauts radio. Ce qui se trouve à l'intérieur est longtemps resté une énigme.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est si fortement comprimée que les noyaux atomiques s'agglutinent en longs filaments et en feuilles plates. Les astrophysiciens appellent ces structures des pâtes nucléaires. À leur surface, la densité de la matière chute presque à zéro — comme si vous surgissiez d'une gelée épaisse dans un air raréfié.

Une étoile à neutrons est une sphère de la taille d'une ville, mais avec une masse comparable à celle du Soleil. Son champ magnétique peut déchirer les atomes à des milliers de kilomètres de distance.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était un chaudron bouillonnant. Mais ensuite, selon cette nouvelle hypothèse, il a brutalement refroidi pendant un court instant — bien plus que ce que l'on pensait auparavant.

Un aimant ordinaire garde toujours ses deux pôles — nord et sud. Coupez-le en deux, et chaque morceau s'empresse de se doter de sa propre paire. Mais au plus profond de la théorie des particules se cache une image étrange : le monopôle — une particule portant une seule charge magnétique, un pôle solitaire sans partenaire.

Dans une casserole de soupe bouillante, de minuscules gouttelettes de graisse s'enflamment de temps en temps, cent fois plus chaudes que le bouillon.

Deux flux rapides de particules chargées entrent en collision — et les lignes de champ magnétique commencent à se rompre et à se reconnecter. Ce processus alimente les éruptions solaires et les aurores boréales.

Le champ magnétique dans un plasma évoque un film de savon tendu : la pression interne le gonfle, tandis que la tension superficielle le resserre et lui donne sa forme. Ici, c'est pareil : les forces magnétiques de pression et de tension s'équilibrent.

La cime d'un grand arbre s'agite sous le vent, mais les racines et le tronc restent cachés sous terre. Sur le Soleil, ces racines invisibles sont les champs magnétiques. Ils émergent des profondeurs, traversent toute l'atmosphère et dirigent le mouvement du gaz surchauffé – le plasma.

Le champ magnétique d'une planète ressemble à un bouclier invisible : il capture les particules chargées du vent solaire et s'étire derrière la planète en une longue traîne, comme une écharpe qui flotte.

Sur une étoile à neutrons — le résidu ultra-dense d'une étoile qui a explosé — du gaz tombe en permanence. Ce gaz s'accumule aux pôles magnétiques et y forme une montagne. Mais une montagne sur une étoile à neutrons ne ressemble pas à une montagne terrestre : elle n'est pas maintenue par de la roche, mais par les lignes de force du champ magnétique, comme de la limaille de fer sur un aimant.

Dans un grand nuage de gaz où naissent les étoiles, les lignes de champ magnétique sont alignées à peu près dans la même direction, comme les fibres d'un morceau de feutre.

Jusqu'ici, les astronomes calculaient la masse des galaxies comme s'il s'agissait de sphères parfaites. Or, une galaxie est une crêpe aplatie. Le nouveau modèle « Perdu et retrouvé » tient compte de la forme réelle : il additionne l'attraction de toutes les parties du disque, et pas seulement du renflement central.

Le centre de notre Galaxie est une cuisine bondée où plusieurs plats mijotent en même temps, et la vapeur se mêle en un seul nuage. Les rayons X du rémanent d'une étoile explosée, du vent stellaire autour du trou noir supermassif et du gaz chaud entre les étoiles se superposent.

Un magnétar est une étoile à neutrons dont le champ magnétique est des centaines de millions de fois plus intense que celui de la Terre. Si l'on approchait un aimant ordinaire d'un tel champ, il serait instantanément démagnétisé, et les atomes s'étireraient en de fins filaments.

Un laser puissant frappe une minuscule cible, qui se transforme instantanément en un nuage de gaz surchauffé, du plasma. Dans ce nuage naissent spontanément des champs magnétiques. Comme des mains invisibles, ils empêchent la chaleur de s'échapper librement du centre brûlant.

Dans le nuage sombre G351, où de nouvelles étoiles s'apprêtent à naître du gaz et de la poussière, le champ magnétique s'est incurvé comme un sablier. Une telle forme est la signature d'un champ qui ne se contente pas d'observer la naissance des étoiles, mais qui y participe activement.

Le bord d'un aimant agit comme le sillet d'une guitare : une corde pincée tout près du bord sonne différemment, avec un ensemble d'harmoniques plus riche. C'est à peu près ce que font les ondes magnétiques dans une fine bande de nickel et de fer.

Une naine blanche, c'est ce qui reste d'une étoile comme le Soleil après qu'elle a éjecté ses couches externes. Il reste un noyau brûlant de la taille de la Terre, mais avec une masse proche de celle du Soleil. Une cuillère à café de cette matière pèserait comme un camion.

Dans un morceau d'oxyde de manganèse épais de quelques couches atomiques, les électrons se comportent comme une foule dans un escalator : chacun suit ses propres règles, mais ensemble ils créent un flux commun. Les physiciens ont dirigé un rayonnement X mou sur ce film et en ont arraché des électrons.

Une étoile à neutrons, c'est une ville de la taille d'une mégapole compressée en un petit astéroïde. Autour d'elle bouillonne un plasma — un gaz de particules chargées — à travers lequel courent des ondes, comme des rides à la surface d'un étang.

Une étoile à neutrons de la taille d'une ville tourne plus vite qu'un mixeur de cuisine et projette des particules autour d'elle. Un nuage lumineux se forme alors — on l'appelle le halo de pulsar. La forme de ce nuage dépend des champs magnétiques invisibles qui, comme les courants océaniques, guident les particules.

Le Soleil n'est pas une sphère tranquille. À l'intérieur, des ondes se propagent en permanence, comme dans une cloche après un coup. Ces oscillations remontent à la surface et révèlent ce qui se passe sur la face cachée, invisible. Les astronomes savent depuis longtemps « écouter » cette sonnerie et y repérer de grands groupes de taches.

Le radiotélescope VLA a scruté la nébuleuse du Boomerang, un nuage gonflé par le vent d'une étoile à neutrons en rotation rapide. Sur les nouvelles images, des détails de la taille d'un disque lunaire dans le ciel sont apparus : un noyau allongé autour du pulsar et un long arc qui le contourne par le nord.