pulsations de magnétar dans les sursauts gamma

Une balise au bord de la galaxie clignote sans horaire : tantôt elle se tait pendant des années, tantôt elle émet des centaines d'éruptions en une seule journée. Une telle balise exige un veilleur qui ne dort jamais et ne se laisse pas distraire.

Une particule d'énergie $$10^{18}$$ eV frappe l'atmosphère terrestre, c'est comme si une balle de tennis lancée à 200 km/h heurtait un mur. D'où viennent de tels projectiles, les astrophysiciens en débattent depuis des décennies.

Les ondes radio d'un pulsar lointain traversent le milieu interstellaire et rencontrent sur leur chemin des structures magnétiques invisibles de la taille de la distance entre le Soleil et la Terre.

C'est comme un record en sprint : pour le battre, il faut un élan parfait. Mais pour les pulsars submillisecondes, l'élan est trop court. Le pulsar le plus rapide connu, PSR J1748-2446ad, effectue 716 tours par seconde, plus vite qu'un blender de cuisine. S'il avait la taille de la Terre, un point à son équateur se déplacerait à environ 0,24 fois la vitesse de la lumière.

Dans le cristal en couches CrSBr, les moments magnétiques des atomes sont alignés comme des notes sur une partition : au sein de chaque couche, ils pointent dans la même direction, mais d'une couche à l'autre, ils pointent en sens opposés. Cette mélodie antiferromagnétique résonne jusqu'à 132 kelvins, au-delà, l'agitation thermique détruit l'ordre.

Le sculpteur façonne des montagnes avec des champs magnétiques et de la chaleur, mais la pierre résiste. Une étoile à neutrons — résidu superdense d'une explosion de supernova — dans un système binaire aspire de la matière de l'étoile voisine.

Une avalanche dans un tas de sable commence par un seul grain. Personne ne sait exactement où il se détachera ni quelle sera l'ampleur de l'écroulement. Mais si l'on verse du sable pendant longtemps, le tas atteint de lui-même un état où les avalanches de toutes tailles – des petites coulées aux effondrements géants – suivent la même loi.

Un phare ne brille pas de manière continue, mais par de brefs éclats lumineux. L'étoile à neutrons du système 4U 1323-62 est un tel phare dans le domaine des rayons X. Elle attire le gaz de son étoile compagne, et lorsque suffisamment de matière s'accumule à sa surface, une explosion thermonucléaire se produit — un sursaut de rayons X.

Un phare s'allume une fraction de seconde puis s'éteint. De telles éruptions dans le domaine radio sont captées par le télescope MeerKAT en Afrique du Sud. Au cours de ses observations, il a détecté 27 nouvelles sources que personne n'avait vues auparavant. Les étoiles à neutrons sont les restes d'étoiles explosées, comprimés à la taille d'une ville.

Le ciel nocturne semble uniforme, mais il contient en réalité des amas – d'immenses communautés de galaxies qui, comme des lentilles, courbent la lumière des objets lointains. Lorsqu'un sursaut radio bref et puissant se produit quelque part dans l'Univers, son chemin vers un télescope terrestre peut passer près d'un tel amas.

Imaginez une loterie où l'on ne gagne pas de l'argent mais des trous noirs. Chaque billet est un point aléatoire dans le ciel, et le gain est une onde gravitationnelle émise par la fusion de deux géants. La chance de décrocher le jackpot est infime, mais si l'on est chanceux, l'onde sera entendue dans tout l'Univers.

Après l'explosion d'une supernova, il reste au centre une boule dense de la taille d'une ville : une étoile à neutrons naissante. Elle est chaude, comprimée, et vibre comme une cloche après un coup.

Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide qui émettent des impulsions radio, comme un phare. Mais certains d'entre eux restent silencieux presque tout le temps, ne lâchant qu'occasionnellement une impulsion isolée. Ces objets sont appelés transitoires radio rotatifs (RRAT).

Quelque part au fin fond du cosmos, deux trous noirs supermassifs tournent l'un autour de l'autre. Leur danse n'est pas fluide — l'orbite est allongée, comme un élastique qui se tend puis se relâche. Chaque révolution engendre une ondulation dans le tissu de l'espace-temps — les ondes gravitationnelles.

La radioastronomie a commencé avec le mystérieux bruit capté par l'antenne de Karl Jansky et les impulsions rythmiques que Jocelyn Bell Burnell avait baptisées « petits hommes verts ».

89 millisecondes. C'est la durée d'une avalanche de vortex qui accélère brusquement la rotation du pulsar Vela — l'un des pulsars les plus célèbres pour ses glitches. Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide, nées de l'effondrement de supernovae.

En juin 2024, le radiotélescope CHIME a détecté depuis la source FRB 20240114A plus de 700 sursauts radio par heure. Un tel répéteur hyperactif libère en une heure presque toute l'énergie magnétique d'un magnétar ordinaire (une étoile à neutrons au champ extrêmement puissant).

La matière noire reste le fond de basse inaudible de la symphonie cosmique — elle n'émet pas de lumière, mais son attraction gravitationnelle façonne les galaxies. Vera Rubin a capté ce rythme pour la première fois dans les années 1970 en observant la rotation des étoiles.

Deux étoiles à neutrons se rapprochent en spirale et entrent en collision. Naissent une onde gravitationnelle — une ondulation de l'espace-temps, un bref sursaut gamma et une lueur faible que les astronomes appellent kilonova.

Deux sphères hyperdenses, chacune de la taille d'une ville, tournent en une danse. Leur masse est inférieure à celle du Soleil, mais à l'intérieur, la matière est comprimée à des limites inimaginables. L'une est une étoile à neutrons, l'autre une étoile étrange, entièrement composée de quarks (les particules élémentaires qui constituent les protons et les neutrons).

Les sursauts radio rapides — des impulsions radio millisecondes provenant de galaxies lointaines — sont longtemps restés une énigme.

Il y a un demi-siècle, Fritz Zwicky remarquait que la matière visible dans les amas de galaxies était dramatiquement insuffisante pour expliquer la gravitation.

Un manège : une structure légère est plus facile à faire tourner, une massive l'est moins. C'est à peu près ce qui se passe pour les étoiles à neutrons, ces vestiges ultra-denses d'étoiles explosées. Des astronomes ont examiné une cinquantaine de systèmes binaires où une étoile à neutrons orbite autour d'une autre, et ils ont remarqué : plus l'étoile est massive, plus sa période de rotation est longue.

Deux étoiles à neutrons — ces résidus ultra-denses d'étoiles massives — fusionnent en une seule, et l'espace autour d'elles frémit : une onde gravitationnelle naît, une ondulation dans le tissu même de la courbure de l'espace-temps.

Les étoiles à neutrons, nées dans le feu des supernovas, ne cessent de surprendre, près d'un siècle après leur prédiction.

Quelque part au fin fond du cosmos, un phare radio s'allume pendant une fraction de seconde, puis s'éteint. Ces signaux sont appelés sursauts radio rapides. Ils proviennent d'autres galaxies et durent de la microseconde à la milliseconde.

Dans un monde qui tend vers le chaos, le rythme naît parfois. La réaction chimique de Belousov-Jabotinsky fascine depuis des décennies : dans une éprouvette, des vagues colorées courent toutes seules, comme un organisme vivant qui respire la matière.

Les noyaux actifs de galaxie (noyau actif de galaxie) sont les centrales électriques cosmiques par excellence : leur couronne en rayons X rayonne des millions de fois plus que les atmosphères stellaires. Mais qui allume l'étincelle ?

Le mystère des sursauts radio rapides (FRB) n'est pas seulement une question de « qu'est-ce qui a explosé ? ». C'est un drame de transfert d'énergie dans des conditions extrêmes, où le moindre accroc mène à l'effondrement.

Une étoile massive ne s'éteint pas simplement — elle explose en supernova, laissant derrière elle un rémanent en expansion et une étoile à neutrons qui tourne furieusement — un pulsar.

Dans l'amas globulaire Terzan 5 se cache le système binaire IGR J17480-2446. L'un de ses membres est une étoile à neutrons qui se comporte étrangement. Elle tourne à seulement 11 hertz (11 tours par seconde) et, après une éruption, refroidit de manière suspecte lente. D'habitude, ces étoiles tournent des centaines de fois plus vite et refroidissent allègrement — ici, c'est tout le contraire.

Un phare envoie son signal à travers une tempête de miroirs — c'est à peu près ce que vivent les sursauts radio rapides lorsqu'ils tentent de quitter les environs d'un magnétar. Un magnétar est une étoile à neutrons dont le champ magnétique est un quadrillion de fois plus intense que celui de la Terre.

Un bourdonnement parcourt tout l'Univers. Ce n'est pas un son, mais un frémissement de l'espace lui-même — le fond d'ondes gravitationnelles. Il est créé par des paires de trous noirs supermassifs qui tournent l'un autour de l'autre au centre de galaxies lointaines. Chaque paire est comme un instrument grave dans un immense orchestre.

Les blazars sont de longs faisceaux émis par les trous noirs au centre des galaxies. Les sursauts gamma sont de très brèves éruptions lors de l'explosion d'une supernova ou de la fusion d'étoiles à neutrons.

Le Soleil n'est pas seulement une source de lumière, c'est un laboratoire géant où naissent des particules fantômes. Chaque seconde, des milliards de neutrinos traversent votre corps sans presque le remarquer. Mais à l'intérieur du Soleil, ces particules se comportent différemment : elles changent de type en plein vol, comme un acteur qui joue trois rôles dans la même pièce.

Au centre de presque chaque grande galaxie vit un trou noir supermassif — un géant silencieux autour duquel tourbillonnent étoiles, gaz et d'autres trous noirs plus petits. De temps en temps, l'un de ces objets quitte son orbite et commence à tomber vers le monstre central en une spirale de plus en plus serrée.

Un fil téléphonique fortement torsadé finit par lâcher et projette des étincelles. C'est exactement ce qui se passe avec les champs magnétiques sur le Soleil : ils se tordent, se déchirent et se reconnectent, alimentant les éruptions. Pour la première fois, des astronomes ont observé ce processus directement.

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.

Les pulsars sont des étoiles mortes qui tournent avec une régularité impeccable. Leurs émissions radio sont plus précises que des horloges atomiques.