Des astronomes détectent une explosion thermonucléaire extrême dans l’espace lointain

Les pulsars sont des étoiles à neutrons dont la fréquence de rotation est très rapide (de l’ordre de la seconde ou de la milliseconde). Tout comme les trous noirs, les étoiles à neutrons résultent d’une explosion stellaire (supernova). De ce fait, il s’agit d’objets massifs malgré leur petite taille (plusieurs masses solaires pour un diamètre ne dépassant pas les 40 kilomètres). Récemment, dans le cadre du projet NICER, la NASA a détecté une puissante explosion thermonucléaire dans l’espace lointain, semblant provenir d’un pulsar aux caractéristiques particulières.

Le responsable de l’explosion serait un pulsar lointain nommé SAX J1808.4-3658 (ou J1808), qui est le reste stellaire compact d’une explosion de supernova. L’effondrement gravitationnel (la masse) de l’étoile étant ici trop faible pour former un trou noir, il a engendré une étoile à neutrons.

La NASA a repéré le signal périodique émis par l’objet en août 2019, capté sous la forme d’un faisceau intense de rayons X par le Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) monté sur l’ISS, un instrument (spectroscope) mesurant les caractéristiques du rayonnement X mou (0.2 à 12 keV), spécifique à ce type d’étoiles. L’explosion à l’origine serait la plus puissante jamais détectée par l’instrument.

Elle a libéré en 20 secondes une quantité d’énergie équivalent à ce que le Soleil émet en 10 jours. Les résultats de l’étude ont été publiés le mois dernier dans la revue Astrophysical Journal Letters.

« Cette explosion est exceptionnelle », a déclaré dans un communiqué Peter Bult, astrophysicien au NASA’s Goddard Space Flight Center, qui dirigeait les recherches.

Limite d’Eddington

Les astronomes utilisent un concept appelé la limite d’Eddington — du nom de l’astrophysicien anglais Sir Arthur Eddington — pour décrire l’intensité maximale de rayonnement qu’une étoile peut avoir avant que ce rayonnement ne provoque son expansion. Ce point dépend fortement de la composition du matériau situé au-dessus de la source d’émission.

« Notre étude exploite ce concept de longue date d’une nouvelle manière », a déclaré Deepto Chakrabarty, professeur de physique au Massachusetts Institute of Technology (MIT) à Cambridge. « Nous voyons apparemment la limite d’Eddington pour deux compositions différentes dans la même rafale de rayons X. C’est un moyen très puissant et direct de suivre les réactions nucléaires qui sous-tendent l’événement ».

« Nous constatons un changement de luminosité en deux étapes, qui, selon nous, est causé par l’éjection de couches séparées de la surface du pulsar, ainsi que d’autres caractéristiques qui nous aideront à décoder la physique de ces événements puissants » ajoute-t-il.

Les chercheurs pensent que l’explosion thermonucléaire a été causée par de l’hélium qui s’est enfoncé sous la surface du pulsar et a fondu en une boule de carbone. « Ensuite, l’hélium explose violemment et libère une ‘boule de feu’ thermonucléaire sur toute la surface du pulsar », a expliqué Zaven Arzoumanian, directeur de NICER.

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Au début de l’explosion, les données NICER montrent que la luminosité des rayons X s’est stabilisée pendant près d’une seconde avant d’augmenter à nouveau à un rythme plus lent. Les chercheurs interprètent ce « décrochage » comme le moment où l’énergie de l’explosion s’est accumulée suffisamment pour souffler la couche d’hydrogène du pulsar dans l’espace.

La boule de feu a continué à se former pendant encore deux secondes avant d’atteindre son apogée, faisant sauter la couche d’hélium plus massive. L’hélium s’est dilaté plus rapidement, a dépassé la couche d’hydrogène avant qu’elle ne puisse se dissiper, puis a ralenti, s’est arrêté et s’est déposé à nouveau sur la surface du pulsar. Après cette phase, le pulsar s’est brièvement éclairci d’environ 20%, pour des raisons que l’équipe ne comprend pas encore.

J1808 est situé à environ 11’000 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Sagittaire. Il tourne à une vitesse vertigineuse de 401 rotations par seconde et fait partie d’un système binaire. Son compagnon est une naine brune, un objet plus grand qu’une planète géante mais trop petit pour être considéré comme une véritable étoile. Un flux constant d’hydrogène gazeux s’écoule du compagnon vers l’étoile à neutrons et s’accumule dans une vaste structure de « stockage » appelée disque d’accrétion.

La vidéo ci-dessous résume et explique la découverte faite grâce au projet NICER :

Source : Astrophysical Journal Letters