rotation d'étoile à neutrons

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…

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.

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.

Un ballon de baudruche qui se dégonfle par à-coups file à travers la pièce — le jet frappe tantôt d'un côté, tantôt de l'autre. C'est exactement ce que fait une étoile mourante lorsqu'elle éjecte son enveloppe gonflée.

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.

Un amas globulaire — un essaim dense de centaines de milliers d'étoiles — traverse une galaxie comme une balle dans l'eau. Dans la matière noire ordinaire (cette masse invisible qui maintient les galaxies), il devrait perdre rapidement de la vitesse à cause du frottement dynamique.

La couronne solaire vit sa propre vie trépidante. Les champs magnétiques y obéissent aux mouvements de la surface dense (la photosphère) du Soleil, mais parfois ils redessinent eux-mêmes le motif magnétique.

Au cœur de la Voie lactée, des étoiles tournent autour d'un trou noir supermassif invisible. L'une d'elles, S301, fait le tour complet en seulement 8,7 ans. Sa trajectoire ressemble à une ellipse très aplatie : tantôt elle frôle le trou noir, tantôt elle s'en éloigne. Au moment de la plus grande approche, la distance qui l'en sépare devient minuscule à l'échelle cosmique.

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.

Un manège ne se contente pas de vous faire tourner en rond — à chaque tour, il s'enfonce aussi légèrement dans le sol. Ce mouvement, semblable à celui d'un tire-bouchon, est précisément l'essence de la charge NUT, une propriété particulière de l'espace-temps que les physiciens étudient depuis le milieu du siècle dernier.

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.

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.

Le télescope spatial James Webb a plongé au cœur du rémanent de supernova SNR 0540-69.3 — ce qui reste après la mort d'une étoile massive dans une galaxie voisine.

En 2017, le télescope à neutrinos antarctique IceCube a enregistré une particule d'environ 290 TeV provenant des profondeurs du cosmos.

Lorsque deux étoiles à neutrons tournent l'une autour de l'autre, leurs corps ne restent pas des sphères rigides. La gravité du compagnon étire chaque étoile, créant des bourrelets de marée — un peu comme la Lune soulève l'eau des océans terrestres.

Lorsque deux étoiles superlourdes tournent l'une autour de l'autre dans une danse serrée, l'espace autour d'elles tremble. Ce tremblement — les ondes gravitationnelles — est capté par de gigantesques détecteurs sur Terre.

Une étoile à neutrons, c'est le vestige d'un géant explosé, compressé jusqu'à la taille d'une ville. Une cuillère à café de sa matière pèse un milliard de tonnes. À l'intérieur, les particules sont si densément tassées que les effets quantiques commencent à se manifester. L'un d'eux est la rotation propre des particules, ou spin.

Parmi les centaines de lunes du Système solaire, Néréide exécute la danse la plus échevelée : tantôt elle plonge vers Neptune à 1,4 million de kilomètres, tantôt elle s'élance au loin à 9,7 millions – le tout en moins d'une année terrestre. Une excentricité de 0,75 – la marque d'une errante capturée.

Jetez une poignée de pièces sur une table : chacune tombe sur pile ou face, indépendamment. Maintenant, imaginez que les pièces se mettent à se retourner en se poussant mutuellement. C'est à peu près ce que font les neutrinos dans un environnement très dense.

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.

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.

Deux étoiles à neutrons sont deux boules de la taille d'une ville, mais avec la masse du Soleil. Lorsqu'elles se rapprochent en spirale, les forces de marée étirent chacune d'elles, comme si une main géante pressait et tordait un ballon de rugby. L'étoile se met à osciller — des ondes de densité courent à l'intérieur, comme des cercles à la surface de l'eau après qu'on y a jeté une pierre.

Si l'on frappe une cloche, elle émet un son à une hauteur donnée. Si l'on y ajoute un second battant, et qu'ils sonnent sans se toucher, le son devient plus complexe. C'est à peu près ainsi que fonctionne l'étoile à neutrons de cette nouvelle étude.

Une toupie tourne si vite qu'elle menace de se désintégrer. Ajoutez-lui un aimant surpuissant — si puissant que s'il remplaçait la Lune, il effacerait les données de toutes les cartes de crédit sur Terre. Voilà un magnétar : un reste ultra-dense d'étoile explosée, une concentration de matière où une cuillère à café pèse autant qu'une montagne.

L'étoile à neutrons est une toupie de la masse du Soleil, compressée à la taille d'une ville. Elle naît dans le feu d'une supernova et, en temps normal, ne fait que ralentir sa rotation. Mais parfois, sans raison apparente, elle accélère soudainement – un à-coup que l'on appelle un glitch.

Le cristal d'iridate de strontium SrIrO₃ de type pérovskite ressemble à une rangée de soldats, où chaque atome d'iridium porte un moment magnétique. Lorsqu'une partie des « soldats » d'iridium est remplacée par de l'étain, qui ne possède pas de moment magnétique, la rangée s'éclaircit.

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 ciel nocturne est plein de phares qui clignotent avec régularité. Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide, et leurs impulsions radio arrivent avec la précision d'un mouvement d'horlogerie.

Une étoile à neutrons de la taille d'une ville est le noyau comprimé d'un astre défunt. Certaines deviennent des pulsars — des phares cosmiques aux éclats périodiques. Leur champ magnétique est des milliards de fois plus intense que celui de la Terre ; aux pôles, il jaillit en un geyser tumultueux.

Dans un fil ordinaire, l'électron est comme un coursier qui porte à la fois le colis et la signature du destinataire : sa charge et son spin sont toujours ensemble. Mais si le fil est réduit à l'épaisseur d'un atome, le coursier se sent à l'étroit.

Lorsque deux noyaux de plomb entrent en collision à une vitesse énorme, un nuage de matière incandescente naît un instant — plus dense et plus chaud que le centre du Soleil. À travers ce nuage filent des jets de particules : des faisceaux étroits comme des rayons laser, arrachés par l'impact.

Une toupie qui tourne si vite qu'elle accomplit 220 tours en une seconde : c'est exactement ce qu'a capté le radiotélescope chinois FAST. Il s'agit du pulsar PSR J1810-0623, une étoile à neutrons de la taille d'une ville, mais plus massive que le Soleil. Toutes les 4,55 millisecondes, son faisceau radio balaie la Terre, tel un phare dans l'océan cosmique.

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.

La géante rouge de la constellation du Cygne s'est tellement dilatée que ses couches externes se déversent sur sa petite mais lourde voisine, une naine blanche. Le gaz tourbillonne autour de la naine comme l'eau autour d'un siphon de baignoire, puis s'y abat.

Le système de Saturne, il y a 300 millions d'années, ressemblait à une piste de danse bondée. Le satellite le plus massif, Titan, a commencé à dériver, et ce mouvement a déséquilibré ses voisins. L'une des lunes a percuté Titan ; les débris ont tourbillonné, s'assemblant pour former Hypérion.

Le faisceau d'un laser frappe un cristal brillant — et en ressort transformé : légèrement décalé en couleur, avec une polarisation différente. Dans un champ magnétique, cette métamorphose de la lumière devient particulièrement visible.

Le pulsar de la nébuleuse du Crabe clignote comme un phare : toutes les 33 millisecondes, il émet une impulsion radio, et ce, avec la précision d'une horloge atomique.

Grâce au télescope Keck et à la méthode de spectroscopie (analyse de la lumière qui révèle la vitesse de rotation), des astronomes ont mesuré 32 objets : des planètes géantes aux naines brunes — des corps plus lourds que les planètes mais plus légers que les étoiles, qui ne se sont jamais allumés.