10/01/2015

Le Pulsar qui a disparu à cause de la déformation de l'espace-temps

On termine cette semaine chargée pour la recherche en astrophysique par une dernière découverte marquante qui a été présentée à Seattle lors du meeting de l'American Astronomical Society : celle d'un pulsar qui  "disparu" à cause de la déformation de l'espace-temps. C'est une équipe internationale regroupant des astrophysiciens hollandais, canadiens, américains, français et anglais qui a fait cette observation.



Vue d'artiste d'un système binaire
d'étoiles à neutron (John Rowe)
Un pulsar est un résidu d'étoile ayant explosé, c'est une étoile à neutron d'une masse de l'ordre de 1,4 masse solaire pas plus grosse qu'une dizaine de kilomètres de diamètre. Les pulsars sont magnétisés et émettent ainsi des ondes radio en fins faisceaux centrés sur leurs pôles magnétiques, qui différent de leurs pôles géographiques. Comme ils tournent sur eux-mêmes à grande vitesse autour de leur axe de rotation, qui diffère de leur axe magnétique, on détecte leur signal radio sous forme de pulsation (d'où leur nom), qui a la fréquence de leur rotation sur eux-mêmes, pour peu que la Terre se trouve dans la zone balayée par le faisceau radio. Un pulsar "normal" n'a aucune raison de voir son orientation modifiée au cours du temps, surtout avec des vitesses de rotation pareilles... Lorsque l'on détecte la pulsation d'un pulsar, on s'attend donc à toujours le voir... 
Mais ce qui a stupéfait les astrophysiciens avec ce pulsar nommé J1906+0746, c'est qu'ils ont observé que l'intensité de son émission radio décroissait de plus en plus en plus au fur et à mesure des années, jusqu'à disparaître complètement au bout de 5 ans d'observations continues... Son intensité a décru, comme si l'axe de rotation du pulsar bougeait lentement, produisant de fait un décalage du faisceau radio balayant la Terre, jusqu'à ce que ce dernier passe à côté de la Terre, ne nous permettant plus de le voir...

Ce qu'ont montré les astrophysiciens menés par le néerlandais Joeri van Leeuwen du Netherlands Institute for Radio Astronomy, c'est que  J1906+0746 n'est pas un pulsar comme les autres, il fait partie d'un système binaire de deux pulsars en rotation l'un autour de l'autre.
Le radiotelescope d'Arecibo
(courtesy of the NAIC - Arecibo Observatory, a facility of the NSF)
Ils ont pu mesurer la masse des deux objets et leurs caractéristiques orbitales : 1,29 masse solaire pour J1906+0746 et 1,32 masse solaire pour son compagnon, qui lui, ne produit aucun rayonnement détectable. Ils se tournent autour l'un de l'autre en 3,98 h très exactement, ce qui représente le second système de ce type le plus rapide jamais observé. Les deux étoiles à neutrons ne sont séparées que par une distance d'environ 1,5 millions de kilomètres, soit le diamètre de notre soleil, une distance minuscule...

L'équipe d'astrophysiciens a scruté ce système durant 5 années consécutives à l'aide des plus grands radiotélescopes, notamment celui d'Arecibo. Ils ont ainsi enregistré un milliard de rotations de J1906+0746, qui tourne sur lui-même à raison de 7 fois par seconde. C'est ainsi qu'ils ont pu déterminer avec une grande précision les interactions gravitationnelles existant entre les deux objets compacts. C'est cette compacité extrême des étoiles à neutron qui produit des effets remarquables de distorsion de l'espace-temps : la maille de l'espace-temps est fortement déformée à proximité d'un tel objet.
L'un des effets prédits par la Relativité Générale est une précession de l'axe de rotation de l'objet en orbite. Et c'est ce qu'ont pu observer Joeri van Leeuwen et ses collègues : l'axe de rotation de J1906+0746 se décale de 2° par an, un décalage produit par le champ gravitationnel de l'étoile à neutron compagne.
Pour visualiser le phénomène, regardez cette courte animation produite par l'auteur de l'étude, où, pour comprendre comment le faisceau du pulsar change de direction, il augmente la masse de l'étoile compagne et regarde l'effet produit sur l'espace-temps et induit sur la rotation du pulsar : 


Aujourd'hui, le faisceau radio de J1906+0746 passe donc à côté de la Terre, mais les astrophysiciens ont calculé que le champ gravitationnel du système binaire étant relativement constant à moyen terme, nous devrions voir réapparaître le pulsar J1906+0746 en 2170.

Source : 
The Binary Companion of Young, Relativistic Pulsar J1906+0746
J. van Leeuwen et al. 
the Astrophysical Journal 798, 118 (8 janvier 2015) 

4 commentaires :

Martin Genet a dit…

Bonjour, comment une étoile faite de neutrons peut-elle être magnétisée? Merci! Martin

Dr Eric SIMON a dit…

Bonjour, merci pour cette question. Un neutron est neutre électriquement, mais il possède, comme son cousin le proton, un moment magnétique non nul. Ce moment magnétique est dû au spin de ses constituants que sont les quarks (2 quarks d et 1 quark u pour le neutron). Il faut aussi préciser qu'une étoile à neutron n'est pas entièrement constituée de neutrons, elle possède dans ses couches externes une sorte de croûte faite de noyaux atomiques très déformés et très instables, comportant énormément de neutrons, mais aussi des protons résiduels.

killian beaudoin a dit…

Bonjour, Fort intéressant votre article, mais une petite question me vient à l'esprit. Les 2 pulsars ont une orbite assez "proche" l'un de l'autre, ne risque t-ils pas de finir en supernova avec un sursaut de rayonnement gamma dû à la perte de l'énergie par onde gravitationnelle ?
Merci,
killian

Dr Eric SIMON a dit…

Merci, oui, les deux pulsars finiront par se toucher car ils se rapprochent inéluctablement par perte d'énergie gravitationnelle, effectivement. On ne sait pas très bien se qui se passe exactement dans ce cas de 2 étoiles à neutrons, sans doute une supernova un peu différente de celle produite lors de la rencontre de 2 naines blanches.