composition des étoiles à neutrons

Au-delà de l'orbite de Neptune s'étend un océan d'îles glacées qui n'a presque pas changé depuis quatre milliards d'années. Ces îles, appelées objets transneptuniens, conservent la recette de la naissance des planètes. Jusqu'à récemment, les astronomes ne voyaient que les plus grandes d'entre elles, tandis que les petites, de la taille d'une ville, restaient invisibles.

L'image d'une galaxie lointaine prise depuis la Terre ressemble à une vue à travers un verre dépoli : l'atmosphère estompe les détails, et la structure interne reste cachée.

Un rayon de lumière passant près d'un corps massif le contourne, comme un coureur contourne le virage d'un stade. Pour une étoile à neutrons, cet angle de déviation est généralement considéré comme identique à celui d'une masse ponctuelle.

L'interprète sursaute au moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. Une étoile à neutrons comprime la masse du Soleil dans une sphère de la taille d'une ville, et la matière en son cœur est plus dense que le noyau atomique. Les physiciens ne peuvent pas vérifier sa structure en laboratoire : la pression requise est impossible à créer.

Une étoile à neutrons, c'est un résidu ultra-dense d'explosion de supernova : la masse du Soleil compressée dans une sphère de la taille d'une ville.

Tout en haut des montagnes, là où l'air est pur et silencieux, des physiciens s'apprêtent à attraper des visiteurs insaisissables venus du cosmos : les neutrinos. Ces particules, telles des fantômes, traversent la Terre sans presque laisser de traces. Mais parfois, un neutrino percute un atome, engendrant une pluie de particules que l'on peut observer.

Cent quarante parsecs – la distance que la lumière parcourt en quatre siècles et demi – nous séparent du nuage moléculaire du Taureau. Dans ses profondeurs se cachent des condensations sombres : les cœurs préstellaires, où le gaz et la poussière cosmique se compriment lentement sous leur propre poids.

Une étoile à neutrons est un chaudron bouillonnant de la taille d'une ville, mais avec une masse d'un soleil et demi. Dans ses profondeurs, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques perdent leur sens.

L'eau dans un verre semble continue, mais elle est faite de molécules. C'est un peu ainsi que les physiciens ont longtemps décrit la matière à l'intérieur d'une étoile à neutrons : comme une soupe homogène de protons et de neutrons. Mais les vraies étoiles à neutrons ne sont pas une soupe. C'est une foule dense de particules où chaque neutron sent la présence de ses voisins.

Une cuillère à café bien pleine, et la balance affiche un milliard de tonnes. C'est à peu près ce que pèserait la matière d'une étoile à neutrons si l'on pouvait la prélever et la peser.

Au cœur de chaque étoile à neutrons se cache une symphonie — un entrelacement complexe de champs quantiques et de gravité relativiste.

Une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèse comme une montagne. Mais cette montagne pourrait avoir un jumeau invisible. Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons, la matière ordinaire est compressée à des densités inimaginables. Là, les protons et les neutrons peuvent se dissoudre en une soupe de quarks.

L'atmosphère de Titan, découverte par Christiaan Huygens, est opaque aux télescopes ordinaires. Mais la spectroscopie révèle des « fenêtres » de transparence — d'étroites zones où le brouillard se dissipe.

Au-delà de Neptune, dans la ceinture de glace, des astronomes ont observé l'objet (612533) 2002 XV93 masquer brièvement une étoile lointaine. En utilisant la méthode du transit (quand une planète atténue la lumière d'une étoile l'espace d'une seconde, comme une mouche devant une lampe), William Borucki et David…

Le noyau atomique ressemble à une gouttelette entourée d'une fine pellicule : la « peau » de neutrons d'étoile à neutrons. À l'intérieur de la goutte, protons et neutrons sont mélangés uniformément, mais à l'extérieur, comme la crème sur le lait, se forme une couche où les neutrons sont nettement plus nombreux.

La croûte externe d'une étoile à neutrons ressemble à un gâteau en couches, chaque couche ayant une garniture bien précise. C'est un réseau cristallin de noyaux atomiques baignant dans une mer d'électrons. Plus on descend, plus la pression est forte – et plus les noyaux qui peuvent y exister sans se désintégrer sont lourds.

Dans une cuisine, il y a un seau d'eau et un seau identique rempli de sable. On verse le sable dans l'eau — et on obtient un mélange où le sable est exactement cinq fois plus abondant que l'eau.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé à la taille d'une ville. À sa surface, un incendie thermonucléaire peut parfois se déclencher : le gaz accumulé explose comme une bombe à hydrogène géante. Après l'éruption, il reste des cendres — un mélange d'éléments lourds qui remonte à la surface et forme une atmosphère brûlante.

Une casserole où mijote un potage à trois ingrédients. Le cuisinier ajuste les proportions en cours de route, et on suit cela grâce à la position d'un point sur une échelle triangulaire. C'est à peu près ainsi que les physiciens démêlent les neutrinos issus d'une explosion de supernova.

Les étoiles chaudes et massives sont les cuisines de l'Univers, où se préparent les éléments lourds. Elles finissent leur vie dans l'explosion d'une supernova. Pour comprendre leur recette, les astronomes utilisent la spectroscopie — l'analyse de la bande arc-en-ciel de la lumière passée à travers un prisme. Autrefois, déchiffrer ce « menu » prenait des heures.

L'Univers est une toile immense faite de matière noire invisible et de galaxies, tendue par l'expansion de l'espace. Les neutrinos, ces particules fantômes presque insaisissables, s'accrochent à peine aux fils, mais leur masse totale modifie imperceptiblement la tension de tout le réseau.

Le proton n'est pas une boule pleine. Sa charge, sa masse et d'autres propriétés sont réparties dans l'espace de manières différentes, et chaque propriété a son propre rayon. Les physiciens savent depuis longtemps mesurer où se concentre la charge du proton et où se trouve sa masse.

Si l'on construisait une couverture géante autour d'une étoile, on obtiendrait une sphère de Dyson. Elle absorberait tout le rayonnement et s'illuminerait dans les rayons thermiques invisibles. Jusqu'à présent, aucune sphère de ce type n'a été observée, mais les astronomes savent qu'il faut la chercher grâce à cette lueur thermique.

Le nitrure de bore hexagonal en couche mince est un cousin du graphite, mais transparent et isolant. Dans son réseau cristallin, on rencontre parfois des défauts isolés : un atome de bore ou d'azote manque, et à sa place se forme un piège à électrons. Ce piège peut absorber la lumière et la réémettre, comme une minuscule lampe de poche.

Au fin fond de l'espace, un nuage de gaz ressemble à un collier orné de perles brillantes. C'est la nébuleuse du Collier, les restes d'une étoile qui, autrefois, s'est gonflée et a englouti sa voisine. Au centre subsiste un duo : une petite étoile chaude et son compagnon gonflé, riche en carbone.

Dans le système binaire Cyg X-2, l'étoile à neutrons attire la matière d'une étoile compagne ordinaire. Le gaz qui tombe s'enroule, s'échauffe à des millions de degrés et brille intensément en rayons X.

La lumière d'une source lointaine, en passant près d'une étoile à neutrons, se courbe comme le faisceau d'une lampe de poche dans un miroir déformant. Les astrophysiciens ont mené une expérience numérique : ils ont lancé des rayons en arrière, de l'observateur vers l'étoile, et ont observé quelle image un télescope verrait.

Au centre de notre Galaxie s'étend une forêt dense de poussière et de gaz. La lumière des étoiles perce difficilement ce fourré, comme une lampe de poche dans le brouillard. Mais c'est précisément là, dans ce nuage opaque, que naissent de nouvelles étoiles. Les scientifiques ont voulu scruter ce brouillard.

Une étoile à 300 années-lumière danse avec un partenaire invisible. Un côté de l'étoile chauffe plus que l'autre, comme si le danseur invisible lui soufflait un vent brûlant. Ce partenaire est une étoile à neutrons — une braise de la taille d'une ville, si dense qu'une cuillère à café de sa matière pèserait plus que le mont Everest.

Les corps supermassifs courbent l'espace, se transformant en lentille qui dévie la lumière des objets lointains. Cette courbure de l'espace-temps permet aux astronomes d'apercevoir l'invisible. Récemment, cette méthode a aidé à détecter un bloc caché d'une masse d'un million de soleils.

Grâce à James Webb, le télescope spatial le plus puissant jamais conçu, les astronomes ont jeté un coup d'œil dans la loge cosmique et ont observé les anneaux de l'astéroïde Chariclo en pleine métamorphose.

Les astronomes ne comprenaient pas pourquoi, dans la « zone des Neptunes brûlants » — la région tout près des étoiles — il n'y a presque pas de planètes de la taille de Neptune. On pensait qu'elles y étaient condamnées : la proximité de l'étoile fait évaporer l'atmosphère, ne laissant qu'un noyau rocheux nu.

Au centre du rémanent de la supernova SN 1987A, à 168 000 années-lumière de la Terre, se cache un objet que les astronomes cherchent depuis 37 ans. C'est la supernova la plus proche qui ait explosé sous les yeux des télescopes modernes, et la seule dont le rémanent compact n'a toujours pas pu être observé directement.

Très haut au-dessus de la Terre, un satellite évolue, et à son bord se trouve un instrument de la taille d'une petite armoire. Il capture des particules qui ont traversé la galaxie pendant des milliards d'années avant de venir percuter le détecteur.