impulsion de rayons X

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.

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.

La nuit, sur le rivage, se dresse un phare. Sa lampe est éteinte presque tout le temps, mais une fois tous les quelques jours, pendant une fraction de seconde, il émet un éclat si puissant que sa lumière est visible au-delà de l'horizon.

Lorsqu'un faisceau laser frappe un gaz, il arrache les électrons des atomes et les accélère presque à la vitesse de la lumière. En traversant le plasma, ces électrons émettent des rayons X, comme une traînée lumineuse laissée par une particule rapide.

Le tireur vise la cible, appuie sur la détente — et entend deux détonations : l'une forte, l'autre plus discrète. C'est ainsi que fonctionne le nouveau dispositif, sauf qu'au lieu de balles, on a un paquet d'électrons, et au lieu de coups de feu, deux éclairs de lumière. L'un est un rayon X, l'autre est térahertz. Ils se dirigent vers un même point avec un intervalle parfait.

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.

La lumière d'un phare lointain ne s'éteint pas d'un coup : elle flamboie d'abord, puis s'enfonce lentement dans l'obscurité. C'est ce que fait le pulsar à rayons X 4U 0115+63 — une étoile à neutrons qui s'embrase de temps à autre lorsque du gaz provenant d'une étoile ordinaire voisine tombe sur elle.

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).

Le pulsar PSR J1740+1000 est une étoile de la taille d'une ville qui tourne plus vite qu'un mixeur de cuisine. Après l'explosion d'une supernova, il en reste un noyau dense qui accélère des particules à des vitesses proches de celle de la lumière.

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.

Sans cesse, le Soleil est frappé par des décharges — la reconnexion magnétique dans le plasma libère de l'énergie, faisant briller la couronne. Après chaque décharge, des ondes magnétohydrodynamiques continuent de parcourir les boucles de plasma — comme le son d'une cloche qui s'éteint.

Pendant plus d'un siècle, les astronomes se sont cassé la tête sur le comportement capricieux des étoiles de type RR Lyrae : leur éclat montait et descendait périodiquement avec une amplitude imprévisible, comme un phare au mécanisme détraqué. L'effet Blazhko, découvert en 1907, a taquiné les scientifiques pendant des décennies.

Une cascade qui ne se réchauffe pas en tombant mais qui gèle : c'est à peu près ce que fait le gaz qui s'écoule sur une étoile à neutrons dans un pulsar à rayons X lorsque l'étoile brille faiblement. D'habitude, la matière qui tombe s'échauffe jusqu'à devenir incandescente, mais une nouvelle étude montre l'inverse.

Le sursaut dure un millième de seconde, mais en cet instant, il libère autant d'énergie que le Soleil en émet en une journée. Ces signaux, appelés sursauts radio rapides, sont captés par les télescopes depuis 2007, et leur origine reste une énigme.

En 1967, les astronomes ont capté le premier signal radio d'un phare cosmique lointain : un pulsar. Depuis, des milliers de ces vestiges stellaires ont été découverts, balayant l'espace de leurs faisceaux tels des tirs de revolver.

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.

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

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.

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.

Un radiotélescope n'est pas qu'une antenne : c'est une machine à calculer qui construit une image à partir de millions d'équations. Ce prisme mathématique est fragile comme du verre : un seul chiffre faux dans l'étalonnage, et le ciel réel se dédouble, engendrant des sources fantômes.

Une lampe de poche ordinaire éclaire aussi bien vers l'avant que vers l'arrière. Mais dans les cristaux magnétiques naît un axion — une excitation fantomatique, semblable à une vague qui parcourt un stade : les atomes se transmettent une impulsion magnétique.

Déjà Jocelyn Bell Burnell, qui avait enregistré pour la première fois la périodicité stricte des signaux radio, avait remarqué que certaines impulsions disparaissaient soudainement. Aujourd'hui, nous savons que cette variabilité n'est pas un caprice, mais la voix d'une électrodynamique extrêmement complexe.

En 2022, les astronomes ont commencé à découvrir d'étranges balises cosmiques — les sursauts radio à longue période. Contrairement aux pulsars rapides découverts par Jocelyn Bell Burnell en 1967, ces objets s'allumaient avec une périodicité de plusieurs dizaines de minutes à plusieurs heures.

Depuis leur découverte en 2007, les sursauts radio rapides (FRB) intriguent les astrophysiciens par leur nature insaisissable. Ces signaux de l'ordre de la milliseconde proviennent de galaxies lointaines et transportent une énergie colossale : en un instant, ils émettent autant que le Soleil en un mois.

Un lampadaire qui clignote quand quelqu'un passe devant. C'est un peu ce que fait Proxima du Centaure, l'étoile la plus proche de nous : elle s'embrase en réponse au mouvement de ses planètes. Les astronomes ont observé cette étoile avec un instrument très sensible, le spectrographe ESPRESSO. Comme un prisme, il décompose la lumière en couleurs.

Une toupie tourne à grande vitesse et, au lieu d'un ronronnement régulier, émet un bourdonnement sourd — parce qu'elle est légèrement cabossée. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les étoiles à neutrons : des sphères de la taille d'une ville, compressées à une densité telle qu'une cuillère à café de leur matière pèse autant qu'une montagne.

La première exoplanète a été découverte autour d'un phare cosmique pas comme les autres : une étoile à neutrons, plus connue sous le nom de pulsar. Ces résidus ultradenses d'étoiles mortes tournent sur eux-mêmes à une vitesse vertigineuse et émettent des impulsions radio très régulières.

Le phare clignote régulièrement une fois par seconde. S'il se déplace en cercle, ses éclats arrivent tantôt un peu plus tôt, tantôt un peu plus tard – et trahissent un compagnon invisible. C'est exactement ainsi que les astronomes ont démasqué le compagnon caché de l'étoile IY Lyrae.

Un phare qui change de couleur à chaque éclat en cadence avec sa rotation — c'est ainsi qu'on pourrait décrire ce que les astronomes ont vu en pointant le tout nouveau télescope à rayons X XRISM sur le pulsar Hercule X-1. Cet objet est une étoile à neutrons qui arrache de la matière à une étoile ordinaire voisine.

Au fin fond de l'espace, une étoile à neutrons en rotation rapide, un pulsar surnommé Phare, file à travers un gaz ténu. Telle une vedette fendant l'eau, il laisse derrière lui une traînée lumineuse de particules chargées. Cette traînée est visible en rayons X comme une queue brillante et un mince filament s'étendant sur plusieurs années-lumière.

Deux étoiles à neutrons sont des résidus ultra-denses d'astres morts, chacune de la taille d'une ville mais plus lourde que le Soleil. Dès 1934, leur existence fut prédite par Fritz Zwicky. Une cuillère à café de cette matière pèse des milliards de tonnes.

Lorsque deux trous noirs supermassifs tournent l'un autour de l'autre avant de fusionner, ils secouent l'espace lui-même — comme un bateau à moteur qui laisse des vagues derrière lui sur un lac. Ces vagues sont appelées ondes gravitationnelles. Elles traversent l'Univers et tout ce qui s'y trouve, même la Terre.

Une tache solaire — île sombre sur la surface incandescente — respire. Toutes les trois minutes, une onde s'en échappe, court le long d'une arche magnétique invisible et fait briller le plasma au-dessus de la tache voisine en un signal radio. Sept de ces éruptions consécutives ont été captées par les radiotélescopes le 14 février 2024.

Une éruption solaire ressemble à un énorme élastique que l'on tord puis relâche. Les lignes de champ magnétique du Soleil s'entremêlent, se brisent puis se reconnectent : c'est ce qu'on appelle la reconnexion magnétique.

Le ciel nocturne semble paisible, mais si l'on tend l'oreille dans le domaine radio, il est plein de cliquetis et de froissements brefs. Les astronomes sondent le ciel à la recherche d'impulsions radio isolées — des sursauts durant quelques millisecondes, provenant de différents coins de la Galaxie et au-delà.

Le phare de la nébuleuse du Crabe clignote trente fois par seconde. C'est un pulsar — une étoile morte qui, en tournant, projette d'étroits faisceaux de lumière, et la Terre se trouve sur leur passage, comme un navire dans le faisceau d'un phare. Ce phare a deux faisceaux : l'impulsion principale et l'interpulse.

L'eau bout dans la bouilloire — et des ondes de vapeur se propagent dans la cuisine. Dans l'espace, un processus similaire se produit dans le plasma — un gaz si chauffé que les électrons se détachent des atomes. Autour des trous noirs et des étoiles à neutrons, ce plasma n'est pas seulement chaud : ses particules filent à une vitesse proche de celle de la lumière.