Des astrophysiciens découvrent l’étoile à neutrons la plus massive jamais détectée

Lorsqu’une étoile massive arrive en fin de vie, elle explose en supernova. Au cours de ce phénomène, selon la masse initiale de l’étoile, le cœur de celle-ci peut s’effondrer en étoile à neutrons ou en tour noir. Une étoile à neutrons est majoritairement composée de neutrons liés gravitationnellement entre eux, avec une structure interne encore inconnue. Concentrant énormément de masse dans un petit rayon, elle constitue l’un des objets les plus denses de l’Univers. Et récemment, une équipe d’astrophysiciens a pu détecter l’étoile à neutrons la plus dense jamais observée. Une découverte qui devrait aider à mieux comprendre le phénomène d’effondrement gravitationnel.

Les étoiles à neutrons sont généralement petites, d’un diamètre d’environ 19 kilomètres, mais elles sont extraordinairement denses. La masse d’une étoile à neutrons est souvent à peu près la même que celle du Soleil. Cela fait des étoiles à neutrons les objets les plus denses de l’Univers après les trous noirs.

Bien que les astrophysiciens aient étudié les étoiles à neutrons pendant des décennies, bon nombre de leurs mystères demeurent non résolus. Par exemple, les pressions incroyables rencontrées dans les étoiles à neutrons divisent-elles les neutrons en soupes de particules subatomiques encore plus petites, appelées quarks ? Quel est le point de basculement lorsque la gravité l’emporte sur la matière et forme un trou noir ?

« Ces étoiles sont très exotiques » déclare Maura McLaughlin, astrophysicienne à la West Virginia University. « Nous ne savons pas de quoi elles sont faites et une question très importante est : à quel point peuvent-elles être denses ? Cela a des implications pour du matériel très exotique que nous ne pouvons tout simplement pas créer dans un laboratoire sur Terre ».

Mieux comprendre le seuil d’effondrement gravitationnel en trou noir

L’étoile à neutrons nouvellement détectée, appelée J0740+6620, se situe à environ 4600 années-lumière de la Terre. Elle contient 2.14 fois la masse du Soleil dans une sphère d’environ 25 km de diamètre. Cela approche les limites théoriques de la masse et de la compacité d’un objet unique sans s’effondrer sous la force de sa propre attraction gravitationnelle en un trou noir. Les caractéristiques de la détection ont été publiées dans la revue Nature Astronomy.

« Les étoiles à neutrons ont ce point de basculement où leurs densités intérieures deviennent si extrêmes que la force de gravité dépasse même la capacité des neutrons à résister à un nouvel effondrement » déclare Scott Ransom, astronome au National Radio Astronomy Observatory. « Chaque étoile à neutrons la plus massive que nous trouvons nous rapproche de l’identification de ce point de basculement et nous aide à comprendre la physique de la matière à ces densités époustouflantes ».

J0740+6620 est une étoile à neutrons en rotation rapide appelée pulsar. Les pulsars émettent des faisceaux jumeaux d’ondes radioélectriques à partir de leurs pôles magnétiques, qui clignotent comme des balises de phare — d’où leur nom, qui est l’abréviation d’étoile pulsante. Plus précisément, J0740+6620 est un type de pulsar appelé pulsar milliseconde, qui tourne rapidement à des centaines de tours par seconde.

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Une étoile à neutrons détectée par effet Shapiro

Les astronomes ont mesuré la masse de ce pulsar grâce à un phénomène appelé « retard de Shapiro ». En substance, la gravité de la naine blanche compagnon du pulsar déforme l’espace-temps autour de lui proportionnellement à la masse de la naine blanche. Ces distorsions spatio-temporelles retardent la lumière du pulsar de dizaines de millionièmes de seconde, lorsqu’il passe derrière la naine blanche du point de vue de la Terre.

Les scientifiques peuvent mesurer ces délais pour calculer la masse de la naine blanche. En analysant la manière dont le pulsar et la naine blanche orbitent autour de l’autre, les chercheurs peuvent ensuite estimer la masse du pulsar. Cette découverte est un résultat fortuit qui a été fait lors d’observations de routine effectuées dans le cadre d’une recherche d’ondes gravitationnelles, à l’aide du télescope Green Bank en Virginie-Occidentale.

Sources : Nature Astronomy