fusion d'étoiles à neutrons

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.

Au centre d'une galaxie, là où un trou noir supermassif enroule autour de lui un disque de gaz incandescent, naissent parfois des étoiles géantes. Elles ne ressemblent pas aux étoiles ordinaires : le disque les nourrit continuellement de matière, et l'étoile peut atteindre des centaines de masses solaires, restant brillante tant que le flux de gaz ne tarit pas.

Imaginez deux toupies lancées sur une table. Si elles tournent dans le même sens, leur rotation totale est grande ; si elles tournent en sens inverse, la rotation totale peut être nulle, alors que chaque toupie tourne rapidement individuellement. Dans une paire d'étoiles à neutrons qui se rapprochent avant la fusion, ces toupies sont leurs rotations propres, c'est-à-dire leurs spins.

Une étoile à neutrons est ce qui reste après l'explosion d'une étoile massive. La matière y est comprimée si fort qu'une cuillère à café pèserait des milliards de tonnes. Dans ces conditions, les protons et les neutrons peuvent se réarranger, et de nouvelles particules apparaissent – les hypérons, semblables aux neutrons mais contenant un quark « étrange ».

Parmi les débris des collisions de particules naissent parfois des « invités » éphémères : les hypérons. L'un d'eux, Σ0, vit moins d'un dix-milliardième de seconde et se désintègre en plein vol. Le capturer directement est presque impossible, mais on peut en observer les traces : il laisse derrière lui une autre particule, Λ, et une paire électron-positron.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé au point qu'une cuillère à café de sa matière pèserait aussi lourd qu'une montagne. À l'intérieur d'un tel objet, les protons et les neutrons sont tassés au plus près, et sous une pression énorme, des hyperons peuvent y apparaître — des particules contenant un quark étrange.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé au point qu'une cuillère à café de sa matière pèserait aussi lourd qu'une montagne. À l'intérieur d'un tel objet, les protons et les neutrons sont tassés au plus près, et sous une pression énorme, des hyperons peuvent y apparaître — des particules contenant un quark étrange.

Un cuisinier goûte de minuscules morceaux aux différents bords de l'assiette et tente de reconstituer la recette d'un plat complexe. Chaque morceau ne donne qu'un indice sur la saveur, et en plus les échantillons sont un peu flous – tantôt trop salés, tantôt pas assez sucrés.

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.

Une naine blanche est l'ancien noyau d'une étoile comme le Soleil, comprimé à la taille de la Terre. Une cuillère à café de sa matière pèserait plusieurs tonnes. Une étoile à neutrons est un résidu encore plus dense : une ville de la taille de Manhattan, mais avec une masse supérieure à celle du Soleil.

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.

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.

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.

Lorsque deux noyaux atomiques se percutent, une minuscule boule de feu naît. Elle ne vit qu'un instant, mais en son sein se succèdent des époques entières : compression, échauffement, expansion. Les physiciens ont appris à écouter ce processus, et leur « micro » est constitué des paires d'électrons et de positons qui s'échappent de la boule à différents stades.

Un « pied à coulisse » cosmique va bientôt mesurer une étoile à neutrons avec une précision d'une centaine de mètres. Pour un objet d'une vingtaine de kilomètres de diamètre, c'est comme mesurer l'épaisseur d'un cheveu humain à un kilomètre de distance. Une étoile à neutrons est le vestige d'une supernova explosée.

Au centre d'une étoile mourante, lorsque son noyau s'effondre en une boule de neutrons, une tempête invisible naît. Des billions de neutrinos — des particules qui traversent la matière presque sans la remarquer — se précipitent dans le plasma incandescent.

L'enquête cosmique a commencé avec un sursaut discret dans le domaine optique. L'objet AT2019wzc s'est lentement allumé puis éteint, comme une braise qui couve. Mais à l'intérieur se cachait quelque chose de bien plus énergétique : des sursauts répétés de rayons X mous, que les astronomes appellent éruptions quasi-périodiques.

Dans un système stellaire binaire, une étoile arrache de la matière à sa compagne. Pendant des siècles, celle-ci s'accumule à la surface de l'étoile à neutrons — le résidu ultra-dense d'une étoile morte. Ce processus, appelé accrétion, se déroule généralement de manière régulière.

Deux trous noirs tournent dans une danse cosmique, se rapprochant en spirale. Au final, ils fusionnent en un seul — et cet instant produit une puissante onde gravitationnelle, une ondulation de l'espace-temps lui-même. Et que reste-t-il après la fusion ?

La collision de galaxies ressemble à une danse lente où deux partenaires se rapprochent progressivement. Au centre de chacune se cache un trou noir supermassif — un volant d'inertie invisible pesant des millions ou des milliards de soleils.

Une étoile massive épuise son carburant – et son cœur s'effondre en une fraction de seconde. Une supernova naît, accompagnée d'une pluie de neutrinos brève mais intense. Ces particules interagissent à peine avec la matière, elles s'échappent donc librement, emportant l'information sur la catastrophe.

Dans la galaxie NGC 1052 DF2, les étoiles se déplacent à seulement 8 kilomètres par seconde — comme si aucune masse invisible n'était présente. Pour comparaison, dans notre Voie lactée, les étoiles périphériques atteignent 200 kilomètres par seconde, retenues par un halo massif de matière noire.

À 123 parsecs de la Terre, dans la constellation de la Couronne australe, flotte l'étoile à neutrons RX J1856.5-3754. Son diamètre est d'environ 12 kilomètres, soit moins que le périphérique de Paris, mais sa température de surface atteint 460 000 kelvins.

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.

Une vitesse de 7,5 kilomètres par seconde — le seuil au-delà duquel une collision cosmique transforme les poussières en réacteur chimique. Dans le Milieu interstellaire circulent des particules de poussière cosmique — héritage d'étoiles mourantes.

L'effondrement du cœur d'une étoile ressemble à la compression d'un ressort : la matière tombe vers l'intérieur, et une étoile à neutrons naît au centre. Mais la chute n'est jamais parfaitement régulière.

Trois millisecondes avant la fusion. Un immense trou noir en rotation frénétique attire une étoile à neutrons — une boule de la taille d'une ville mais d'une masse équivalente à une fois et demie celle du Soleil. Les forces de marée étirent l'étoile en un filament aussi fin qu'une aiguille et dispersent la matière.

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.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une soupe brûlante de particules. Parmi elles flottaient des neutrinos superlourds – des milliers de fois plus massifs que leurs cousins légers qui nous traversent aujourd'hui. Leurs masses étaient presque identiques, comme trois jumeaux, et non des passants quelconques.

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 poignée de sable dans le poing : les grains se bloquent les uns contre les autres, et la main ne peut pas se refermer davantage. La matière ordinaire se comporte de la même façon.

Une boule de billard en heurte une autre dans l'obscurité totale. Le bruit de l'impact et le cliquetis des billes tombant dans les poches — voilà tout ce que l'on entend. C'est à peu près ainsi que les physiciens étudient les interactions des particules élémentaires à des énergies qu'aucun accélérateur terrestre ne peut reproduire.

Il faut presque deux mois au couple stellaire J05+50 pour boucler une orbite autour de leur centre commun. Depuis la Terre, il apparaît comme un point faible dans la constellation d’Hercule, à 4625 parsecs de nous. La photométrie de l’étoile binaire ne montre qu’un lent balancement de luminosité, tel le pouls d’un cœur géant.

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).

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⊙.

Une étoile à neutrons est l'ancien noyau d'une étoile massive, comprimé à la taille d'une ville. Une cuillère à café de sa matière pèse comme une montagne.

La théorie qui calcule si bien les noyaux atomiques ordinaires se heurte à une impasse lorsqu'on plonge au cœur d'une étoile à neutrons. Là, la densité de la matière atteint des sommets et les anciennes formules se mettent à mentir.

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.

En 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré le frémissement de l'espace-temps dû à la collision de deux fusion d'étoiles à neutrons — l'événement GW170817.

En 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré le frémissement de l'espace-temps dû à la collision de deux fusion d'étoiles à neutrons — l'événement GW170817.