vendredi 20 mars 2020

Percée sur l'origine des magnétars


Une équipe franco-allemande vient de publier une étude qui fournit une très bonne piste pour expliquer la formation des magnétars, ces pulsars aux champs magnétiques extrêmes. Le champ magnétique initial subirait une forte amplification liée à la rotation très rapide de l'étoile à neutrons. Une étude parue dans Science Advances.



Les magnétars sont des étoiles à neutrons qui possèdent les champs magnétiques les plus puissants observés dans l'Univers, mais leur origine était jusqu'à aujourd'hui encore mal comprise. Mais Raphaël Raynaud (CEA) et ses collaborateurs français et allemand ont développé un modèle numérique des magnétars extrêmement détaillé qui peut donner une explication à la genèse de champs magnétiques aussi intenses.
Les champs magnétiques des magnétars sont de l'ordre de 1015 Gauss, soit 1000 fois plus intenses que ce qui est observé pour une étoile à neutrons "normale". Les magnétars sont de plus caractérisés par des éruptions de rayons X et de rayons gamma, liées à la présence de champs magnétiques extrêmes. Et du fait de ces valeurs de champs magnétiques démesurées, les magnétars doivent subir ce qu'on appelle un freinage magnétique important : ils perdent de la vitesse de rotation plus vite qu'un pulsar classique. Et c'est ce qui est observé et qui a permis d'estimer l'intensité des champs magnétiques impliqués. Reste à comprendre comment on peut en arriver là. Il faut pour cela se rappeler que les étoiles à neutrons naissent lors d'une explosion d'étoile massive (de plus de 8 masses solaires) en supernova à effondrement de coeur (supernova de type II). Une théorie stipule que le champ magnétique de l'étoile à neutron résultante serait directement hérité de la magnétisation du coeur de fer de l'étoile mourante juste avant son explosion, mais le problème de cette hypothèse est que le champ magnétique qui serait déjà puissant dans l'étoile mourante aurait dû ralentir la rotation du coeur, et l'étoile à neutrons résultante n'aurait finalement qu'une rotation lente, ce qui ne colle pas avec les observations. Et ça ne permettrait pas d'expliquer les grandes quantités d'énergie libérées dans les explosions d'hypernovas (accompagnées de sursauts gamma longs) dans lesquelles un magnétar très rapide est considéré comme étant le résidu et la source d'énergie du processus.
Au contraire, le modèle développé par Raphaël Raynaud et ses collaborateurs montre que les champs magnétiques gigantesques peuvent naître juste au moment où se forme l'étoile à neutrons.


Les chercheurs décrivent le scénario : dans les quelques secondes suivant l'effondrement gravitationnel du coeur de fer, l'étoile à neutrons nouvellement formée se refroidit vite en émettant une grande quantité de neutrinos. Ce refroidissement déclenche alors une forte convection de matière à l'intérieur de l'étoile à neutrons, un peu similaire à l'apparition de bulle dans une casserole d'eau bouillante. C'est ces mouvements brutaux de matière dans l'étoile à neutrons d'après les astrophysiciens qui produit une très forte augmentation des champs magnétiques pré-existants. Cette amplification n'est rien d'autre qu'un effet dynamo (qui existe dans le noyau terrestre ou dans l'enveloppe du Soleil) mais ici à l'échelle de l'étoile à neutrons.
Les chercheurs ont testé leur modèle sur un supercalculateur en simulant la convection induite dans une étoile à neutrons naissante en rotation rapide, et ils trouvent qu'effectivement, le faible champ magnétique initial peut se retrouver amplifié jusqu'à  1016 Gauss pour une étoile à neutrons en rotation suffisamment rapide, car l'amplification dépend aussi de la vitesse de rotation. L'amplification apparaît beaucoup plus efficace dans le cas d'une période de rotation inférieure à 8 ms.
En plus de donner une bonne explication pour la formation des magnétars, ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour mieux comprendre les explosions d'étoiles les plus énergétiques, celles qu'on appelle les hypernovas, des supernovas superlumineuses qui sont estimées être associées à des magnétars. Un magnétar central en fournirait l'énergie résiduelle en augmentant la puissance totale rayonnée par l'hypernova ou la supernova superlumineuse, mais ce processus de transfert de l'énergie rotationnelle de l'étoile à neutrons via un intense freinage magnétique nécessite une valeur de l'ordre de 1015 Gauss. Or jusqu'à aujourd'hui, ce scénario du magnétar milliseconde comme engin central des hypernovas appliquait cette valeur de champ magnétique de manière ad hoc, indépendamment de la vitesse de rotation de l'étoile à neutrons. Mais Raphaël Raynaud et son équipe apportent aujourd'hui par leur étude la pièce manquante de l'histoire : comment un tel champ magnétique peut apparaître et comment il est lié à la vitesse de rotation du magnétar, confirmant par là le scénario qui était envisagé pour les hypernovas et autres supernovas superlumineuses.


Source

Magnetar formation through a convective dynamo in protoneutron stars
Raphaël Raynaud et al.
Science Advances  Vol. 6, no. 11 (13 Mar 2020)


Illustrations

1) Rendu en 3D par simulation des lignes de champ magnétique dans la zone convective de l'étoile à neutrons naissante : à gauche pour une période de rotation de quelques milliseconde, à droite pour une rotation plus lente, produisant une intensité 10 fois plus faible (Raynaud et al.)

2) Evolution de la force du champ magnétique produit via l'effet dynamo convectif en fonction de la période de rotation de l'étoile à neutrons (Raphaël Raynaud et al.)