Comment fonctionnent les pulsars, les phares cosmiques de l'univers

Les vestiges tournoyants d'étoiles mortes

Quelque part dans la constellation du Taureau, une boule de matière dense d'à peine 20 kilomètres de large tourne 30 fois par seconde, projetant des faisceaux d'ondes radio dans le cosmos. Il s'agit du Pulsar du Crabe, le cœur effondré d'une étoile dont l'explosion a été enregistrée par des astronomes chinois et japonais en 1054 après J.-C. Ce n'est qu'un des quelque 3 400 pulsars catalogués jusqu'à présent, et les astronomes continuent de découvrir de nouveaux mystères dans leurs signaux.

Un pulsar est une étoile à neutrons fortement magnétisée, en rotation rapide, qui émet des faisceaux concentrés de rayonnement électromagnétique à partir de ses pôles magnétiques. Comme ces pôles sont généralement inclinés par rapport à l'axe de rotation, les faisceaux balaient l'espace comme la lampe rotative d'un phare. Chaque fois qu'un faisceau traverse la Terre, les radiotélescopes enregistrent une « impulsion » précisément chronométrée, d'où son nom.

Comment naît un pulsar

Lorsqu'une étoile massive, au moins huit fois plus lourde que le Soleil, épuise son combustible nucléaire, son cœur s'effondre en une supernova. La gravité écrase les protons et les électrons ensemble en neutrons, formant une étoile à neutrons d'environ la masse du Soleil, comprimée dans une sphère de la taille d'une ville. L'effondrement conserve le moment cinétique : tout comme une patineuse artistique tourne plus vite en ramenant ses bras, le cœur qui rétrécit accélère considérablement.

L'étoile à neutrons nouvellement formée hérite et amplifie également le champ magnétique de l'étoile mère, produisant des champs un billion de fois plus puissants que celui de la Terre. Les particules chargées accélèrent le long des lignes de champ magnétique ouvertes près des pôles, générant des faisceaux intenses de rayonnements radio, X et même gamma.

Une découverte prise pour des extraterrestres

En novembre 1967, Jocelyn Bell Burnell, étudiante diplômée de Cambridge, a remarqué un « petit quelque chose » se répétant toutes les 1,337 secondes sur près de 30 mètres de papier d'enregistrement qu'elle examinait chaque soir. Le signal était si régulier que son équipe l'a étiqueté à moitié en plaisantant LGM-1, pour « Little Green Men 1 » (Petits Hommes Verts 1). En quelques semaines, Bell Burnell a trouvé trois autres sources, excluant une origine extraterrestre et confirmant une nouvelle classe d'objet astronomique. Le prix Nobel de physique de 1974 a été décerné à son superviseur Antony Hewish et à l'astronome Martin Ryle ; Bell Burnell elle-même a été controversée exclue, bien qu'elle ait reçu plus tard le prix Breakthrough 2018 en physique fondamentale.

Types de pulsars

Tous les pulsars ne sont pas identiques. Les principales variétés comprennent :

• Les pulsars normaux tournent une fois toutes les quelques secondes et ralentissent progressivement à mesure qu'ils rayonnent de l'énergie.
• Les pulsars milliseconde tournent des centaines de fois par seconde. Ce sont de vieilles étoiles à neutrons « accélérées » en aspirant de la matière d'une étoile compagne. Le plus rapide connu, PSR J1748−2446ad, effectue 716 rotations par seconde : son équateur se déplace à environ un quart de la vitesse de la lumière.
• Les magnétars possèdent des champs magnétiques jusqu'à mille fois plus puissants que les pulsars ordinaires et peuvent émettre de puissantes rafales de rayons X et de rayons gamma. Seules deux douzaines environ ont été confirmées.

Pourquoi les pulsars sont importants pour la science

Parce que les pulsars milliseconde pulsent avec une régularité rivalisant avec les horloges atomiques, ils sont devenus des outils indispensables pour la physique et la navigation.

Détection des ondes gravitationnelles

Des projets tels que NANOGrav surveillent des réseaux de dizaines de pulsars milliseconde répartis dans le ciel. Une onde gravitationnelle qui passe étire et comprime l'espace-temps, modifiant légèrement les temps d'arrivée des impulsions. En 2023, l'ensemble de données de 15 ans de NANOGrav, portant sur 68 pulsars, a produit la première preuve solide d'un fond d'ondes gravitationnelles, un faible bourdonnement d'ondulations de l'espace-temps probablement généré par la fusion de trous noirs supermassifs dans tout l'univers.

Test de la relativité générale

Les pulsars binaires, deux étoiles à neutrons en orbite l'une autour de l'autre, offrent des laboratoires naturels pour la relativité générale d'Einstein. Le rétrécissement progressif de leurs orbites correspond aux prédictions de perte d'énergie par rayonnement gravitationnel, une confirmation qui a valu le prix Nobel de physique de 1993.

Navigation dans l'espace lointain

Parce que les signaux des pulsars sont détectables partout dans le système solaire, les engins spatiaux peuvent les utiliser comme des balises GPS naturelles. En comparant les temps d'arrivée des impulsions à bord avec les valeurs prédites, une sonde pourrait fixer sa position de manière autonome, sans qu'une station au sol ne soit nécessaire.

Toujours pleins de surprises

Même après près de six décennies d'étude, les pulsars continuent de livrer des énigmes. Le Pulsar du Crabe, par exemple, produit d'étranges motifs de « zébrures » dans son spectre radio que les chercheurs n'ont que récemment liés à un bras de fer entre la diffraction du plasma et la lentille gravitationnelle. À mesure que les radiotélescopes de nouvelle génération, tels que le Square Kilometre Array, seront mis en service, des milliers d'autres pulsars devraient être découverts, chacun étant une sonde de précision dans la physique la plus extrême que l'univers ait à offrir.