Hubert Reeves

 

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Les pulsars

pulsar

Les pulsars sont en fait des étoiles à neutrons, des noyaux d'étoiles ayant explosé en supernova, et s'étant effondré sur eux-même jusqu'à devenir une soupe ultra dense de neutrons ... Ces étoiles à neutrons émettent des impulsions radios par leurs pôles magnétiques. Lorsque ces impulsions s'alignent sur notre planète, nous en apercevons le signal. L'étoile tournant sur elle-même à très grande vitesse et avec la précision d'un métronome, le signal donne l'impression d'une pulsation, comme celle d'un phare ...

Sommaire

Parcourez notre gamme de posters sur les étoiles à neutrons et les pulsars :

Pulsar = étoile à neutrons

Le « pulsar », contraction des mots « pulsating » et « star », n’est ni plus ni moins qu’une l’étoile à neutrons dont la rotation et le champ magnétique lui permettent de produire un faisceau lumineux. En parlant du pulsar, on choisi de s’intéresser plus particulièrement à une facette de cette étoile ou plutôt à une période de son existence, puisqu’il s’agit véritablement du phénomène de pulsation du faisceau de radiations électromagnétiques. On établi également une distinction entre les deux car, lors de la découverte du premier pulsar, on ne fit pas tout de suite le rapprochement entre pulsar et étoile à neutrons …

impulsion radio

Découverte du premier pulsar

La découverte du premier pulsar a donc été faite en 1967, par hasard … Une étudiante en astrophysique (Jocelyn Bell) et son directeur de thèse (Anthony Hewish) de l’Université de Cambridge (Mullar Astronomy Observatory), cherchaient alors l’effet du milieu interplanétaire, plus précisément de la turbulence du gaz ionisé interplanétaire, sur la propagation des ondes radio. Dans leur recherches, ils découvrirent une source émettant de façon très régulière des impulsions radio (périodicité de 1.337 seconde et fréquence de 81.5 MHz), source qu’ils ont nommé PSR 1919+21, en raison de sa position céleste.

psr 1919

Dans un premier temps, probablement sous l’effet de l’excitation suscitée par la découverte d’une telle bizarrerie céleste, les deux astrophysiciens ont pensé avoir capté un signal émanant d’une civilisation extraterrestre. Le doute fut vite levé et ils firent rapidement le rapprochement avec les prédictions faites dans les années trente par Walter Baade et Fritz Zwicky, sur la présence d’étoiles à neutrons (noyaux d’étoiles massives mortes) au sein des supernovae.
Cette idée fut rapidement confirmée par l’observation du pulsar situé dans la nébuleuse du Crabe, ce qui prouvait le lien entre pulsar, supernova et étoile à neutron.
Rapidement, trois autres pulsars furent découverts, puis les astronomes du monde entier se sont mis à les débusquer. Toutes les sources observées avaient alors un comportement similaire : une extrême régularité dans la périodicité des signaux radio, constante pour chaque pulsar !

Un exemple de la précision de ces horloges cosmiques : le pulsar PSR 1913+16 envoie des impulsions toutes les 59.029995271 secondes. Ces horloges sont plus précises que les plus puissantes horloges atomiques actuelles !

pulsar du crabe

animation PULSAR DU CRABE

La formation d'un pulsar

Effondrement et rotation

Comment se forme le pulsar ?
Lors de la mort de l’étoile, l’effondrement stellaire réduit considérablement le diamètre de celle-ci. Afin de conserver le moment cinétique, la gravitation impose donc à l’étoile à neutron de tourner plus vite sur elle-même. C’est le même phénomène qui pousse une patineuse artistique à ramener les bras le long de son corps lorsqu’elle tourne afin d’accélérer sa rotation. La vitesse de rotation crée alors un puissant champ magnétique qui se diffuse dans l’espace. Le signal est diffusé de part et d’autre de l’étoile, en continu, mais il semble pulsé lorsqu’il est capté par les observateurs terrestres (comme un phare qui balance un faisceau de lumière en rotation et en continu, mais qui n’est vu qu’à intervalles réguliers par un observateur posté sur le bateau) …

Champ magnétique et faisceau lumineux

phare pulsar

Le faisceau émis par le pulsar est très étroit et est aligné avec l’axe magnétique de l’étoile à neutrons. Or, l’axe magnétique n’est pas le même que l’axe de rotation de l’étoile … De même, sur Terre, les pôles magnétiques ne sont pas identiques aux pôles géographiques. Ce qui implique que, pour le pulsar, le faisceau n’est pas immobile au cours de la rotation, mais il balaie une partie du ciel en forme de cône. Il faut tout de même se rendre compte que la partie du ciel balayée par le faisceau est relativement mince, et la Terre a en général très peu de chance d’être sur le passage de l’onde émise. De plus, nous ne pouvons observer que les ondes radio proches car avec la distance elles se détériorent, ce qui nous fait penser que, pour quelques centaines de pulsars observés, il en existe probablement plusieurs millions dans notre galaxie … 
Comment ce faisceau lumineux est-il produit ? Le rayonnement est provoqué par l’accélération de particules chargées et arrachées aux calottes polaires, jusqu’à des vitesses proches de celles de la lumière. C’est le champ magnétique, mais également électrique, qui en est la cause. Car ce sont les électrons qui sont regroupés aux pôles magnétiques et qui s’enroulent autour du champ magnétique, émettant un rayonnement synchrotron. Le rayonnement synchrotron est un type d’ondes radio bien connu qu’on peut retrouver dans certains accélérateurs de particules.
Le rayonnement est donc issu des pôles magnétiques (modèle de calotte polaire) ; mais pas toujours semble-t-il … Il peut également venir d’une région où la vitesse des particules est la plus élevée (modèle du cylindre-lumière). D’une manière générale, aucune des deux théories ne fait l’unanimité auprès des chercheurs car le rayonnement intense émis par les pulsars impose une succession de processus physiques très complexes. Bref, dans les deux cas, les électrons, animés de vitesses relativistes, émettent un rayonnement synchrotron focalisé dans la direction de leur mouvement.

pulsar depuis Terre

Beaucoup de supernovae et peu de pulsars

Les pulsars donnent du fil à retordre aux scientifiques : ils ont du mal à les cadrer avec la théorie. En effet, on devrait en principe en trouver un au milieu de chaque nébuleuse, résidu de supernova. Or, ce n’est pas souvent le cas. La plupart du temps, le centre des restes d’étoiles dispersés demeurent vides. Il arrive parfois que le pulsar soit décentré, soit dans la nébuleuse même ou à l’extérieur, voire même vagabond. L’écart entre le nombre de nébuleuses répertoriées et le nombre de pulsars est important, mais les scientifiques donnent tout de même plusieurs explications à ce fait :
Pour commencer, une étoile à neutrons ne donne pas forcément naissance à un pulsar. Pour que le pulsar s’active, il faut que le champ magnétique de l’étoile et sa rotation dépasse un seuil critique afin de produire des faisceaux lumineux. Beaucoup de supernovae renferment également un trou noir en leur sein, donc pas de pulsar. Ensuite, le cône d’émission d’un pulsar à peu de chance de croiser l’orbite terrestre. En outre, la majorité des millions d’étoiles à neutrons de la Voie Lactée sont trop lointaines pour que le signal radio ne nous parvienne, quand bien même le faisceau serait dirigé vers la Terre … Il reste les émissions X et gamma, mais le manque de sensibilité de nos instruments actuels n’est pas favorable à des études précises, du moins pour le moment.

Les pulsars ne sont pas non plus éternels, ils se dissipent en quelques centaines de milliers, voire millions d’années. Bref, les raisons ne manquent pas pour expliquer les difficultés à observer ces bizarreries cosmiques.

Des astres encore assez mal connus

On peut toutefois en conclure que l’étude des pulsars démontre avec éloquence le fossé qui se creuse entre la théorie et la réalité. Le pulsar est un phénomène somme toute assez mal connu, et les modèles théoriques n’ont pas la prétention de répondre à toutes les questions que soulèvent les observations. Par exemple, la théorie n’explique pas l’apparition occasionnelle d’un deuxième signal de moindre intensité chez certains pulsars, ou bien une modification du profil du signal. « L’étude de la magnétosphère reste un problème ouvert », affirme Eric Gouegoulhon, de l’Observatoire de Paris-Meudon. « La théorie de l’émission radio est un peu au point mort pour l’instant », avoue Isabelle Grenier, du service d’astrophysique du CEA-Saclay, ajoutant qu’au vu des données actuelles, « les pulsars restent très mal connus »
Certains signaux s’interrompent également pendant plusieurs heures, de façon inexpliquée ! Mais nos connaissances en la matière avancent pourtant, à petit pas … On sait maintenant que les pulsars millisecondes ne sont pas de jeunes pulsars, comme on pouvait le croire auparavant, mais de vieux pulsars recyclés.

pulsar

Globalement, malgré les incertitudes  et quelquefois les incohérences des modèles avec la réalité, les théories permettent de prédire l’évolution générale du phénomène pulsar, et les études réalisées permettent d’en définir les paramètres fondamentaux, tout en les associant à l’évolution des étoiles.

Une durée de vie limitée

Les pulsars ne sont pas éternels comme nous venons de le dire, en effet il arrive un moment où l’étoile ralenti et cesse donc d’émettre le faisceau d’ondes radio. Par exemple, pour le pulsar du Crabe (tournant à une période de 33.73 ms), la dérive est voisine du millionième de seconde par an … C’est dire la régularité du signal ! Mais force est de constater que le mouvement décélère tout de même. En moyenne, un pulsar dissipe 100 000 fois plus d’énergie que notre Soleil, et qui dit baisse de l’énergie, dit ralentissement de la rotation. Mais nous verrons qu’un pulsar peut « ressusciter », en captant la matière, et donc l’énergie, d’une étoile voisine, dans le cas d’un système binaire …

pulsar du crabe

animation pulsar du crabe

Les pulsars millisecondes

A force de recherches, les astronomes ont découvert au fil des ans des pulsars de périodes de plus en plus courtes, tournant donc de plus en plus vite.  Ces découvertes permirent d’établir de nouveaux modèles théoriques et surtout de valider définitivement l’existence des étoiles à neutrons, puisque seuls des astres aussi denses que ces dernières pourraient supporter une rotation aussi élevée. Les découvertes se diversifient, on voit maintenant des pulsars émettant dans le domaine visible et dans les rayons X.
Il existe par exemple des pulsars dits « millisecondes », qui tournent à des vitesses bien supérieurs à la moyenne (plus de 1000 tours/seconde !). Le premier à avoir été observé, PSR 1937+21, à Arecibo (Porto-Rico) par D.C Baker de l’Université de Berkeley, a chamboulé la conception qu’on se faisait des pulsars. En effet, cette découverte dévoila un paradoxe : la période de ce pulsar était 20 fois plus rapide que celle du pulsar le plus rapide répertorié jusqu’alors, elle indiquait donc qu’il était très jeune … Pourtant, la dérivée de la période montrait, elle, qu’il était très vieux ! En fait, PSR 1937+21 fait partie de ce qu’on appelle les pulsars binaires ou « recyclés ». Il est vrai que dans l’Univers, une importante partie des étoiles vivent en couple, et meurent donc ensemble, mais rarement en même temps. Ainsi, il n’est pas rare de voir une étoile et un pulsar orbiter ensemble.
http://www.atnf.csiro.au/news/press/double_pulsar/mpegs/PulsarsEvolution320x256.mpg
http://www.atnf.csiro.au/news/press/double_pulsar/mpegs/PulsarsCurrent320x256.mpg

Une seconde naissance pour le pulsar

Deux cas se présentent alors pour le pulsar, suivant la taille de sa compagne : Si sa masse est égale ou inférieure à celle du Soleil, l’étoile devra attendre de mourir et de se dilater en géante rouge avant de se faire aspirer son enveloppe externe par le pulsar, les gaz émettant des rayons X en chauffant. A l’inverse, si l’étoile est supérieure à 10 masses solaires, elle se fera aspirer directement par le pulsar nouvellement créé. La matière de l’étoile, tombant alors sur le pulsar, peut accélérer sa rotation comme jamais, pouvant atteindre les 1000 tours/seconde ! La matière ingérée peut même parfois, de part son opacité, interrompre le signal d’un pulsar … C’est le cas pour PSR 1957+20, baptisé la « Veuve noire », découvert par Andrew Fruchter1, dont le compagnon reste invisible. Toutes les 9 heures, le signal pulsé s’interrompt durant 50 minutes.

pulsar milliseconde

Des pulsars rares

Il existe d’autres types de pulsars, plus rares.

Le pulsar X

Les pulsars X, découvert en 1970, ne sont pas liés à l’explosion d’une étoile. Le flux énergétique émis est limité aux rayons X et surtout, il n’est pas explicable par le modèle standard. On en dénombre une centaine, agencés en systèmes multiples, l’interaction avec un compagnon massif pouvant expliquer un tel processus physique. Il s’agirait en fait de pulsars binaires accouplés à une étoile géante ou bien à un trou noir. La luminosité extrême varie entre 200 et 50 000 fois celle du Soleil, la température de leur disque d’accrétion pouvant atteindre les quelques 10 millions de degrés !! Ce qui expliquerait l’origine du rayonnement non thermique. Mais ce modèle de s’applique pas aux pulsars les plus véloces, tournant sur eux-mêmes en une fraction de seconde.

Le pulsar Gamma

Il existe enfin un type très particulier de pulsars, dits pulsars gamma. Extrêmement rares, ces sources sont tout aussi énigmatiques que les pulsars X. Le rayonnement émis, de très haute énergie, pourrait être engendré par un mécanisme d’accrétion accélérant le plasma, jusqu’à ce qu’il soit suffisamment chaud. Ce sont eux qui à priori, sont responsables des sursauts gamma, du moins d’une partie de ceux-ci, ces explosions les plus violentes que connaisse l’Univers actuel.
On pense que les deux types de pulsars X et Gamma sont des variétés d’une seule et même famille sous l’emprise de corps encore plus massifs qu’eux, donc de trous noirs.
Les satellites d’observation gamma, Sigma et Integral, sont en charge d’éclaircir les mystères de tels monstres.

Des ondes radio aux rayons gamma

Après avoir longtemps étudié les pulsars dans les ondes radio, il semble que le domaine des rayons gamma soit le plus prometteur. C’est en effet sur cette piste des hautes énergies qu’on pense pouvoir espérer obtenir les plus précieuses informations. Isabelle Grenier, qui participe à l’élaboration du satellite GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), successeur de Compton dont le lancement est prévu fin 2005 par la NASA, affirme que « Les photons gamma sont des produits directs de la rotation du champ magnétique de l’objet, qui donne une grande accélération aux particules. Ils perdent ensuite leur énergie par un processus de cascade et donnent finalement naissance aux photons observables en ondes radio. GLAST fournira donc des renseignements directs sur la physique des pulsars car il aura un accès à la source même de leur émission d’énergie ».

GRO-Compton et GLAST

GRO-Compton (Gamma Ray Observatory) a été lancé en 1991 par la NASA, et a détecté 400 nouvelles sources gamma et a recensé 2600 sursauts gamma. Sa mission est désormais achevée. Pourtant, il n’a débusqué que sept ou huit pulsars émettant des rayons gamma, les scientifiques espèrent fortement que GLAST puisse en repérer des dizaines d’autres. Ces rayons gamma sont très précieux car il semble que le faisceau émis par le pulsar soit bien plus large que le faisceau d’onde radio ; en effet, les pics mesurés en gamma s’étalent sur une grande partie de la rotation complète du pulsar, alors qu’il est très bref en ondes radio. La quantité d’informations à y recueillir est donc très certainement indispensable à la bonne compréhension du phénomène … « Les hautes énergies sont sans doute les plus intéressantes », confie Isabelle Grenier.

gamma ray pulsar

Enfin il existe certains pulsars qui possèdent un champ magnétique si puissant, cent fois supérieur à celui d’un pulsar ordinaire, que l’écorce peut se tordre et se déplacer, émettant brièvement des rayons X à haute énergie (10 à 30 KeV) : ce sont les magnétars (que nous étudierons lors d’un prochain dossier).

pulsars dans la Voie lactée

Les ondes gravitationnelles

Mais, malgré les interrogations que suscite l’étude des pulsars, ces toupies cosmiques apportent également de précieuses réponses aux prédictions théoriques. C’est ainsi que la découverte de PSR 1913+16 par Hulse et Taylor en 1974 à permis de mettre en évidence de façon indirecte l’existence des ondes gravitationnelles, dictées par Albert Einstein et sa théorie de la relativité générale.

Ces ondes sont en effet engendrées par des masses puissamment accélérées générées par la présence de deux étoiles à neutrons dans un système binaire (notamment PSR 1913+16). Du fait de la proximité et des masses importantes des deux corps, le champ gravitationnel est suffisamment puissant pour conduire à une perte massive d’énergie par émission d’ondes gravitationnelles. Cette perte d’énergie engendre une diminution de la période orbitale du système. Hulse et Taylor eurent le prix Nobel en 1993 grâce à cette découverte. En outre, l’étude du couple PSR 1913+16 a permis de vérifier un autre effet relativiste : l’avance du périastre (point de l’orbite le plus proche du pulsar). La valeur mesurée correspond avec exactitude à la valeur prédite par la théorie d’Einstein.

ondes gravitationnelles

Une très intéressante animation vidéo (en 2 parties) des images affichées ci-dessus :
http://www.atnf.csiro.au/news/press/neutron_binary/web/BinaryFirstAnim320x256.mpg
http://www.atnf.csiro.au/news/press/neutron_binary/web/BinarySecondAnim320x256.mpg

animation pulsar

Alors que la plupart des découvertes contemporaines en physique (et notamment en mécanique quantique) soulèvent plus de questions qu’elles n’apportent de réponses, l’étude des pulsars permet, même si le phénomène en lui-même est encore source de nombreuses interrogations, de valider les prédictions faites par un des deux piliers fondamentaux de notre conception du monde, la relativité (restreinte + générale) qui n’a jamais été prise en défaut une seule fois depuis sa création.

Ecoutez le son d’un pulsar :
http://physics.kent.edu/~gleeson/foi/pix/1937.wav
http://physics.kent.edu/~gleeson/foi/pix/0833.wav
http://physics.kent.edu/~gleeson/foi/pix/0329.wav

Notre sélection de videos sur l'astronomie :

D'autres vidéos de pulsars en téléchargement :
http://www.nasa.gov/centers/goddard/mpg/97799main_Millisec Pulsar Shot 1.mpg
http://www.nasa.gov/centers/goddard/mpg/97801main_Millisec Pulsar Top View.mpg
http://www.nasa.gov/centers/goddard/mpg/97800main_Millisec Pulsar Surface Exp.mpg
http://www.nasa.gov/centers/goddard/mpg/97797main_Millisec Pulsar Garvitywa.mpg

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