ralentissement d'une étoile à neutrons

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L'observation du brusque ralentissement de la rotation d’une étoile à neutrons – ou anti-glitch – met au défi les modèles de la structure interne de ces étoiles.

Les étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus fascinants de l’Univers. Elles sont extrêmement denses : elles renferment entre une et deux fois la masse du Soleil dans une sphère de dix kilomètres de rayon. Certaines étoiles à neutrons tournent sur elle-mêmes à grande vitesse – quelques tours par minute à plusieurs centaines de tours par seconde – en émettant un faisceau d'ondes électromagnétiques observable depuis la Terre sous forme d'un signal périodique très régulier ; elles sont alors qualifiées de pulsars. La rotation des pulsars a tendance à ralentir très lentement au fil du temps, mais elle peut parfois réaccélérer de façon soudaine : on parle alors de « glitch ». Selon les modèles, ce phénomène résulte de certains processus de réarrangement interne au sein de l’étoile. Mais des astronomes ont observé une étoile à neutron qui a brutalement ralenti, au lieu d'accélérer. Cet « anti-glitch » oblige les théoriciens à reconsidérer les modèles de structure de ces astres.

Les conditions extrêmes de pression et de densité régnant dans une étoile à neutrons – un milliard de tonnes par centimètre cube – font que la matière y est dans un état qui n'existe pas sur Terre. Dans le modèle le plus général, l’étoile à neutron possède une croûte externe constituée d’un réseau cristallin de noyaux de fer très serrés. Plus en profondeur, la pression augmente et les noyaux deviennent plus riches en neutrons. Puis, sous les contraintes mécaniques, les neutrons s’échappent des noyaux pour former un superfluide – un fluide dont la viscosité est nulle. Ce fluide contient une vingtaine de neutrons pour chaque proton et électron. Près du cœurde l'étoile, des particules exotiques, tels des mésons, pourraient se former, constituant aussi un superfluide et, au cœur de l’étoile se trouve peut-être un plasma de quarks et gluons, les constituant des protons et des neutrons.

Le comportement du superfluide riche en neutrons pourrait expliquer les accélérations ponctuelles de la rotation des étoiles à neutrons. L’étoile ralentit progressivement car elle perd de l’énergie via son émission électromagnétique et son vent stellaire. La croûte tourne ainsi plus lentement, mais le superfluide de neutrons aurait tendance à moins ralentir. La contrainte mécanique engendrée par la différence de vitesse entre les deux couches emmagasine de l'énergie, qui est libérée brutalement, réaccélèrant l’étoile. Dans le cas des magnétars – des étoiles à neutrons dont le champ magnétique est extrêmement intense –, ce glitch s’accompagne de fortes émissions de rayonnement X. Le phénomène a été observé des centaines de fois.

Cependant, l’équipe dirigée par Neil Gehrels, du Centre de vol spatial Goddard de la NASA, a détecté un anti-glitch, c'est-à-dire le ralentissement brutal d'une étoile à neutron. Les données de l’observatoire spatial Swift révèlent que de juillet 2011 à mi-avril 2012, l’étoile à neutrons 1E 2259+586, situé à 10 000 années-lumière, faisait un tour sur elle-même toutes les sept secondes. Cette vitesse de rotation a diminué lentement et régulièrement pendant la durée des observations. À la reprise des mesures le 28 avril 2012, la période de rotation avait diminué brutalement de quelques millionièmes de seconde. Cet « anti-glitch » serait corrélé à une intense émission de rayons X, d’une durée de 36 millisecondes, détectée le 21 avril par le télescope spatial Fermi. Depuis cette observation, la vitesse de rotation diminue beaucoup plus vite.

Cette observation est très étonnante, car le mécanisme proposé jusqu’à présent ne permet pas de reproduire simplement ce phénomène. Des mouvements internes à l’étoile, régis par le fort champ magnétique – L'étoile incriminée est un magnétar – pourraient créer l’anti-glitch, mais le mécanisme reste à préciser. Des études récentes ont aussi remis en cause le scénario classique expliquant les glitchs. La couche de neutrons superfluide pourrait être trop fine – avec un moment d’inertie trop faible – pour provoquer ces accélérations soudaines. Il faudrait prendre en compte les couches superfluides plus profondes. La découverte d'un anti-glitch ravive en tout cas la question de la structure interne de ces astres extrêmes.

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