limite de masse d'étoile à neutrons

Le pulsar PSR J0614-3329 effectue 318 tours par seconde. Un point à son équateur se déplace à environ 10 % de la vitesse de la lumière. Vu de l'extérieur, l'étoile ressemble à un phare qui tourne si vite que son faisceau se fond en un anneau continu.

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.

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.

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

Un feu qui ne s'éteint pas d'un coup, mais couve pendant des heures, parce que les bûches à l'intérieur gardent encore la chaleur des flammes passées. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'effet de mémoire chez les trous noirs.

La fusion de deux étoiles à neutrons n'est pas qu'une simple collision. Avant même de se toucher, elles se déforment mutuellement sous l'effet des forces de marée, et cette déformation dépend de la « souplesse » ou de la « rigidité » de la matière à l'intérieur. La matière rigide résiste davantage, la matière souple change plus facilement de forme.

Les étoiles les plus massives ressemblent à des ballons trop gonflés : leur enveloppe ne s’étire plus, elle commence au contraire à laisser échapper rapidement de la matière. À un certain stade, la perte de masse devient si forte que l’étoile cesse d’augmenter en taille.

L'explosion d'une supernova éjecte les couches externes de l'étoile mourante. Il ne reste que le noyau — une étoile à neutrons, compactée en une boule de la taille d'une ville. L'existence de telles étoiles a été prédite dès 1934 par Fritz Zwicky.

Trois minutes après le Big Bang, l'Univers jouait sa première symphonie. C'était la nucléosynthèse du Big Bang — la formation des noyaux légers, où chaque élément sonnait sa note, et le tempo était donné par l'expansion de l'espace.

En août 2019, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux objets compacts au sein d'une étoile binaire. L'un d'eux pesait 23 masses solaires — un trou noir ordinaire. Le second, 2.5–2.67 M⊙.

L'Univers refroidissait comme une baignoire géante après un début brûlant. 400 000 ans après le Big Bang, l'hydrogène était déjà prêt à se recombiner — les protons capturaient les électrons pour devenir des atomes neutres. Mais quelque part dans cette eau sombre, un robinet continuait de goutter.

Pendant treize milliards d'années, la lumière a voyagé à travers le vide cosmique. Elle contournait de massifs galaxie qui, comme l'avait prédit Einstein, agissaient comme des lentilles géantes — amplifiant et déformant le lointain rayonnement. En 2023, l'instrument NIRSpec à bord de James Webb a capté cette lumière et l'a décomposée en spectres.

La matière noire est invisible aux télescopes, mais sa gravité a été révélée il y a un demi-siècle par Vera Rubin.

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.

En 2021, l'observatoire LHAASO a détecté des rayons gamma d'énergie supérieure à l'électron-volt-péta provenant de sources comme la nébuleuse du Crabe — un reste d'explosion de supernova au centre duquel pulse une étoile à neutrons.

La cosmologie ressemble à un orchestre où les différents pupitres se mettent soudainement à jouer en désordre. Les mesures de la vitesse d'expansion de l'Univers (la constante de Hubble) dans l'Univers primordial et dans l'Univers tardif donnent des chiffres différents.

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.

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.

Un bébé brûlant et un adulte glacial : la même étoile à neutrons se présente différemment selon son âge. À peine née dans l'explosion d'une supernova, elle est portée à des dizaines de milliards de degrés. Mais avec le temps, elle se refroidit et se contracte, comme un métal qui se rétracte en refroidissant.

Les étoiles à neutrons sont l'accord final de l'évolution des étoiles massives. Nées dans le cataclysme d'une supernova, elles compriment une masse comparable à celle du Soleil dans une sphère de la taille d'une métropole terrestre.

Une étoile à neutrons est le noyau laissé après l'explosion d'une étoile massive. La matière y est si comprimée qu'une cuillère à café pèserait des milliards de tonnes. Mais la taille et la masse exactes de ces objets restent débattues. Une équipe d'astronomes a étudié le système EXO 0748-676, où une étoile à neutrons arrache de la matière à une étoile compagne ordinaire.

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.

Au cœur d'une étoile à neutrons — le vestige d'une étoile explosée — la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse des milliards de tonnes. Parmi cette matière hyperdense, une variété particulière de force pourrait agir, une qui ne concerne que les neutrinos muoniques et tauiques.

Le Soleil est un réacteur nucléaire géant qui nous envoie sans cesse lumière et chaleur. Mais il possède aussi une autre messagerie, presque silencieuse : chaque seconde, des dizaines de milliards de neutrinos traversent un centimètre carré de votre paume — des particules fantômes nées dans la fournaise thermonucléaire.

Une planète géante encore bébé continue d'attirer à elle les restes de matériaux de construction du nuage qui l'entoure. C'est exactement ce qu'a capturé le télescope spatial Hubble en pointant ses caméras vers l'objet catalogué SR 12 c.

Le noyau atomique est rarement une sphère parfaite. Il ressemble plus souvent à un ballon légèrement déformé : la charge électrique y est répartie de manière inégale, et les protons peuvent se déplacer légèrement, créant un minuscule renflement « en forme de poire ».

L'Univers est plein d'invisible. Nous connaissons la matière noire par la rotation des galaxies et les lentilles gravitationnelles, mais sa nature nous échappe depuis un siècle.

Une étoile à neutrons est une lentille gravitationnelle qui focalise nos tentatives d'apercevoir la matière noire. À travers sa matière ultra-dense, comme à travers un verre exotique, nous cherchons l'axion — une particule insaisissable capable d'expliquer la masse cachée de l'Univers.

Quelque part dans le bulbe galactique, une étoile massive sommeille, prête à troquer sa combustion paisible contre un effondrement.

Les trous noirs supermassifs au centre des galaxies sont comme d'immenses banians : leurs racines aériennes, des filaments, s'étendent sur des kiloparsecs pour puiser la matière nutritive.

Un bloc de matière noire dérive dans le vide — invisible, presque insaisissable. Personne ne sait de quoi il est fait, mais une nouvelle étude propose de le voir comme une goutte de fluide quantique.

Au plus profond du sol au Japon se trouve un immense réservoir rempli d'eau ultrapure. Il attend de rares visiteurs : les neutrinos, arrivant des explosions d'étoiles lointaines. Ces visiteurs sont si rares qu'au fil des années d'observation, l'appareil Super-Kamiokande n'enregistre que quelques événements.

Une étoile à neutrons, c'est une ville de la taille de Manhattan compressée à une densité telle qu'une cuillère à café de sa matière pèse autant que le mont Everest. Pour comprendre sa structure interne, les scientifiques mesurent son rayon.

Un patineur sur glace ramène ses bras contre son corps et sa rotation s'accélère brusquement. Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant et que son noyau s'effondre, un phénomène analogue se produit, mais à l'échelle cosmique.

L'Univers est rempli de matière noire invisible. Comme une goutte d'eau qui, en s'évaporant, laisse un cristal de sel, un trou noir peut s'évaporer en laissant derrière lui un résidu stable minuscule. Cette idée a été développée par Stephen Hawking et Jacob Bekenstein.

Au cœur de notre cité d'étoiles — la galaxie — se cache un trou noir supermassif, Sagittaire A*. Autour de lui, l'étoile S2 exécute une danse effrénée. Mais ses mouvements trahissent plus que l'attraction du trou : un partenaire invisible participe à la valse — la matière noire.

Dans la famille des résidus ultra-denses d'étoiles mortes, un vide a longtemps béé. Les étoiles à neutrons — des toupies fulgurantes de la taille d'une ville — dépassent rarement deux masses solaires. Les trous noirs commencent aux alentours de cinq masses solaires. Entre les deux, un « gouffre » où l'on n'a trouvé aucun objet pendant des décennies.

Un morceau de sucre pèse environ un gramme. Mais un trou noir capable de se cacher dans un tel morceau pèserait comme une petite montagne — des milliards de tonnes. Pourtant, même ces minuscules, nés dans les premiers instants après le Big Bang, auraient dû disparaître depuis longtemps.

Dans l'image habituelle, les trous noirs sont les champions absolus de la densité : toute leur matière est comprimée en un point. C'est comme si toute la masse de l'Everest tenait dans un grain de sel. Mais des physiciens ont trouvé une astuce théorique.

Un immense réservoir d'eau ultrapure est caché profondément sous terre au Japon. Ses parois sont tapissées de milliers de lampes sensibles à la lumière qui capturent de faibles flashs — les traces de particules fantômes traversant la masse d'eau.