Le Livre d'Argent

Donc, dans l'épisode précédent, nous avons parlé de nuages de gaz et de leur intervention dans la vie et la mort des étoiles… ou du moins des étoiles de faible masses (jusqu'à huit fois celle de notre Soleil). Et puisque nous sommes de nouveau #Vulgadredi, il est temps d'aller voir ce qui se passe quand les étoiles plus lourdes que ça arrivent à la fin de leur vie.

C'est donc maintenant qu'on va aborder le sujet demandé par @Nic la dernière fois, à savoir les étoiles à neutrons, et ce nouveau #VendrediVulga va nous faire dix-huit pouets. Mais avant de démarrer celui-ci, je suggère vivement de commencer par jeter un œil au précédent si vous ne l'aviez pas vu (ce qui est fort possible vu que j'avais posté plutôt tard).

Le lien est là si besoin : https://fadrienn.irlnc.org/notice/AxffZGekWdb41yY0OW

2/18 Et nous allons donc commencer par aller voir un objet du ciel un peu particulier, une de ces nébuleuses dont je vous parlais la dernière fois… mais un nuage de gaz qui semble à première vue plus complexe et plus tourmenté que les précédents : la nébuleuse du Crabe.

Précisons d'ailleurs au passage que cette nébuleuse se situe dans la constellation du Taureau, soit pas juste à côté de la constellation du crabe (aussi appelée le Cancer) qui est située de l'autre côté d'Orion. Comme on nomme ce genre d'objets soit en fonction de leur forme, soit en fonction de l'endroit où on les trouve, et que nous ne sommes pas dans ce second cas, je vous laisse imaginer depuis combien de temps la personne qui a donné ce nom n'avait pas vu un de ces aimables crustacés.

3/18 Notons d'ailleurs au passage qu'à la date où j'écris ces lignes, la constellation du Taureau est visible dans le ciel à partir de deux heures du matin, ce qui fait que les noctambules peuvent, avec une bonne paire de jumelles, y chercher l'objet en question. Il s'agit du tout premier objet du Catalogue de Messier, dont je vous avais parlé dans le thread sur les comètes, donc probablement celui avec qui Charles Messier avait confondu la comète de Halley.

Et pour la petite histoire, il existe aussi une « nébuleuse australe du Crabe » (dont la ressemblance avec l'animal est aussi un peu douteuse, mais je vous laisse juger), qui est pour sa part dans la constellation du Centaure, une des principales constellations de l'hémisphère sud, et qui est une nébuleuse planétaire un peu plus classique comme celles de la semaine dernière. Mais je vais peut-être arrêter de digresser autant dès le départ et en arriver un peu plus vite à mon sujet.

4/18 Pour se faire une meilleure idée de ce qu'il y a là-bas, on ne s'est pas contenté de regarder cette nébuleuse en lumière visible, mais également sous d'autres longueurs d'onde telles que les infrarouges ou, surtout, les rayons X. En combinant ces différentes images, on obtient une information beaucoup plus riche sur l'objet.

Et de cette manière, on a pu voir que sa structure n'est pas si différente de celle des nébuleuses planétaires : un petit objet brillant, et plusieurs couches de gaz en train de s'en éloigner. Sauf que l'objet central a l'air encore plus bizarre qu'une naine blanche.

Oh, je pourrais vous mettre l'image directement dans le pouet, mais je préfère ici vous renvoyer vers le site de l'APoD qui donne plein de détails en plus, dont un lien pour comparer les images combinées : https://apod.nasa.gov/apod/ap250824.html

5/18 Les naines blanches, on l'a vu la dernière fois, sont des objets assez denses : assez souvent, environ la moitié de la masse de notre Soleil pour un diamètre proche de celui de la Terre. L'objet qui est au centre de la nébuleuse du Crabe, lui, a une masse estimée à entre une fois et demie et deux fois et demie celle du Soleil… et son diamètre n'est que d'une vingtaine de kilomètres.

Au sein d'un tel objet, la densité est telle qu'une bonne partie des atomes ne restent pas sous la forme qu'on leur connaît : les électrons finissent par fusionner avec les protons, ce qui donne des neutrons, qui deviennent nettement plus nombreux que le reste. C'est parce qu'ils en sont principalement constitués que ces objets sont appelés des « étoiles à neutrons » (Notons quand même que la structure interne d'un tel objet est un peu plus complexe, mais je ne rentre pas trop dans les détails).

6/18 Quel phénomène cataclysmique s'est-il donc passé pour produire un tel objet ? En remontant dans les archives, on trouve mention de l'endroit précis du ciel où se situe aujourd'hui cette nébuleuse, notamment dans les écrits des astronomes chinois (on en a aussi quelques traces dans le monde arabe par exemple) en juillet 1054.

Ces traces historiques rapportent qu'à l'époque, une nouvelle étoile a semblé apparaître à cet endroit du ciel, tellement brillante qu'elle était même visible en plein jour. Sa luminosité a toutefois diminué avec le temps, et, environ deux ans plus tard, l'objet n'était plus visible à l'œil nu, même dans les meilleures conditions nocturnes.

7/18 Nous avons fini par comprendre par la suite que ce que les gens de l'époque ont observé n'était pas une nouvelle étoile qui apparaissait, mais plutôt une étoile lourde arrivée en fin de vie qui a explosé, dégageant une quantité de lumière assez formidable. On appelle maintenant ce phénomène « supernova », qui garde d'ailleurs la trace étymologique de nos conceptions passées (« nova » veut dire « nouveau » en latin).

Arrivées au stade où les étoiles plus légères se transforment en géantes rouges, celles de huit masses solaires ou plus ont un cœur suffisamment chaud et dense pour entamer de nouveaux cycles de fusions successives, séparées par des phases de contractions, avant de finir par exploser en libérant leurs couches extérieures dans l'espace. Elles produisent ainsi les éléments chimiques dont nous sommes constitués, menant à l'adage selon lequel nous sommes poussière d'étoile.

8/18 Entrons quand même ici un peu plus dans les détails. Après avoir fusionné l'hydrogène en hélium au cours de sa première phase, le cœur de l'étoile se met à fusionner l'hélium en carbone. Si l'étoile est suffisamment massive, les couches situées près du centre amorcent alors à leur tour la fusion de l'hydrogène en hélium. Puis l'hélium vient à se faire rare au cœur de l'étoile, celui-ci se contracte, et commence à fusionner le carbone et l'hélium résiduel en oxygène, pendant que l'activité de fusion se décale dans les couches situées près du centre.

Plusieurs phases de ce type s'enchaînent alors, avec une étoile qui prend une structure en oignon, jusqu'à ce que la fusion nucléaire au cœur de l'étoile commence à produire du fer. Le noyau de fer étant particulièrement stable, sa fusion consomme plus d'énergie qu'elle n'en produit : il n'est donc plus possible de déclencher une nouvelle phase à partir de lui. Sans nouvelle activité nucléaire pour compenser la gravité, l'étoile s'effondre alors sur elle-même.

9/18 À ce moment, les couches extérieures de l'étoile viennent alors compresser très fortement le cœur de celle-ci, sur lequel elles vont rebondir pour être violemment éjectées vers l'espace. C'est ce violent rebond qui nous apparaît comme une explosion, pendant que le cœur de l'étoile se transforme sous la pression intense en étoile à neutrons.

Au passage, donc, les éléments chimiques formés par fusion nucléaire dans les différentes couches de l'étoile sont libérés dans l'espace, où ils finiront par rejoindre des nuages moléculaires et participer à la formation de nouveaux systèmes stellaires. Le journaliste scientifique Simon Singh commentait : « Les romantiques aimeraient peut-être penser qu'ils sont faits de poussières d'étoiles. Les cyniques préféreraient sans doute parler de déchets nucléaires. »

10/18 L'étoile à neutrons située au cœur de la nébuleuse du crabe a donc un âge précisément connu, puisque nos ancêtres ont pu noter le moment de la supernova (notons qu'il faut tenir compte du décalage horaire : la nébuleuse est située à un peu plus de six mille années-lumière de nous, et donc l'explosion s'est en fait produit il y a environ sept mille ans. Mais comme ce décalage ne change pas à notre échelle, ça revient au même pour nos observations actuelles, la lumière qui nous arrive maintenant nous montre bien une nébuleuse âgée d'environ un millénaire).

Pour pas mal d'autres étoiles à neutrons connues, nous n'avons pas cette chance d'avoir une date précise ; mais nous avons néanmoins pu déterminer l'âge de pas mal d'entre elles en se basant sur leur forte régularité et sur les vitesses assez impressionnantes auxquelles elles tournent sur elles-mêmes.

11/18 Une étoile à neutrons, en effet, tourne particulièrement vite sur elle-même : plusieurs dizaine de tours par seconde, voire davantage. Elle est également dotée d'un champ magnétique assez important, dans l'axe duquel est émis un rayonnement magnétique assez caractéristique. Cette direction d'émission étant affectée par la rotation, on a l'impression, vu de loin, de voir l'objet pulser, d'où le fait que ces objets soient également appelés « pulsars ».

Ce rayonnement étant directionnel, nous ne pouvons pas capter celui de toutes les étoiles à neutrons connues. Ce qui rend les étoiles à neutrons suffisamment âgées pour que le nuage de gaz issu des couches extérieures de l'étoile se soit complètement dissipé autour d'elles particulièrement difficiles à repérer quand elles ne sont pas bien orientées par rapport à nous, faisant que les étoiles à neutrons « isolées » que nous connaissons sont quasi-systématiquement des pulsars.

12/18 À l'inverse, certaines étoiles à neutrons sont connues parce qu'on a pu détecter la nébuleuse (aussi appelée « rémanent de supernova ») sans qu'on puisse détecter leur rayonnement. À titre d'exemple, nous avons eu la chance de pouvoir repérer une supernova l'année de ma naissance, en 1987, dont l'activité a pu être enregistrée par plusieurs instruments optiques.

Un observatoire a publié deux ans plus tard avoir détecté le signal d'un pulsar au sein du rémanent, mais cette observation n'a jamais pu être reproduite à ce jour, malgré plusieurs tentatives. On connaît en revanche plusieurs cas où on détecte les deux à la fois. Ainsi, on peut détecter le rayonnement de l'étoile à neutrons située au centre de la nébuleuse du Crabe, et qui est donc surnommée « pulsar du Crabe ».

13/18 Mais si pas mal de ces astres semblent isolés ou entourés seulement du nuage de gaz résultant de la supernova, d'autres ont des voisinages un peu plus particuliers. J'avais ainsi mentionné, dans mon thread sur les comètes, le cas de PSR B1257+12, un pulsar autour duquel on a détecté des exoplanètes !

Deux hypothèses existent concernant l'origine de ces planètes : elles pourraient s'être formées à partir de la matière qui constituait autrefois les couches extérieures de l'étoile, puis la nébuleuse qui s'est formée lors de l'explosion. Cela constituerait donc un cortège de planètes « de seconde génération », formées après la mort de leur étoile.

Ah, oui, au fait, si vous n'aviez pas lu mon thread sur les comètes, voici le lien : https://fadrienn.irlnc.org/notice/AwyBqt6c4qOUfKUKjQ

14/18 L'autre possibilité est qu'elles se soient formées de façon classique et qu'elles aient « survécu » à la supernova. Il est possible en effet que certaines planètes géantes gazeuses aient tout de même un noyau solide, et le souffle de l'explosion aurait pu balayer les couches de gaz de ces planètes et ne laisser que cette partie solide maintenant nue. Dans les deux cas, ça justifie les noms de morts-vivants qu'on a donné à ces objets.

Un autre pulsar, PSR B1620-26, a des compagnons encore plus étranges : il fait partie d'un système double, dont l'autre objet est une naine blanche, WD B1620-26. Ces deux objets tournent donc l'un autour de l'autre, et tous deux font partie de l'amas d'étoiles formant le quatrième objet du catalogue de Messier. On a détecté une planète tournant autour de ces deux compagnons qui, d'après l'âge estimé des étoiles de l'amas, serait la plus vieille de toutes les (exo)planètes connues : environ treize milliards d'années.

15/18 Mais un certain nombre d'étoiles à neutrons ont aussi pour compagnon… des étoiles, tout simplement. En effet, un certain nombre d'étoiles autour de nous ne sont pas isolées, mais font partie d'un système double : deux étoiles qui se tournent autour. Or, même si elles ont généralement un âge proche, elles ne « meurent » pas exactement en même temps.

On peut donc se retrouver plus ou moins facilement dans une situation où l'une des deux étoiles a déjà explosé en supernova, et l'autre, pas encore. Ce qui peut déjà être impressionnant, car la première explosion peut déstabiliser le système et amener les deux objets stellaires suffisamment proches l'un de l'autre pour que des transferts de matière aient lieu.

16/18 Mais que se passe-t-il lorsque la seconde étoile du duo vient à mourir à son tour ? Les couches externes qu'elle souffle dans l'espace viennent alors plus ou moins violemment rencontrer l'étoile à neutrons, ce qui peut conduire à augmenter encore la densité de celle-ci. Potentiellement jusqu'à dépasser une limite provoquant un nouvel effondrement et transformant l'étoile à neutrons en un objet encore plus impressionnant : un trou noir.

Mais on ne va pas se lancer dans ce genre de sujet dès maintenant, et se garder ça, de nouveau, pour le thread de la semaine prochaine. Une petite série de trois thread, c'est plutôt pas mal. D'autant qu'il y a d'autres conditions possibles à la formation d'un trou noir, donc il y a encore des choses à dire.

17/18 Il y a d'ailleurs d'autres conditions possibles à la formation d'une étoile à neutrons : ça peut aussi se produire lorsque le mécanisme décrit ci-dessus se produit avec un couple d'étoiles plus légères : la première à mourir forme une naine blanche « classique », puis c'est la matière soufflée par la mort de la seconde qui conduit à augmenter fortement la densité, transformant la première naine blanche en étoile à neutron. C'est peut-être ce qui s'est passé pour le couple étrange dans M4.

Dans tous les cas, ce sont des phénomènes particulièrement impressionnants, et qui sont aussi à l'origine de quelques uns des éléments chimiques qui composent aujourd'hui l'univers, tout n'étant pas produit par la fusion nucléaire au cœur des étoiles.

Tiens, si ça vous intéresse, jetez donc un œil à ça : https://mastodon.social/@coreyspowell/113907625463172223

18/18 En attendant et pour terminer ce thread, je voudrais féliciter @mmontarges (ça fait longtemps que je l'avais pingué dans un de ces threads) qui travaille justement sur la fin de vie des étoiles massives et qui a soutenu son Habilitation à Diriger les Recherches hier. Et j'en profite pour lui demander une petite relecture pour vérifier que je n'ai pas dit trop de bêtises plus haut O:-)

Évidemment, on pourrait encore détailler pas mal de choses, mais je pense que ça suffira pour cette fois. Et de mon côté, je vais enfin pouvoir prendre une petite semaine de vacances après un été particulièrement mouvementé (mais je tâcherai quand même de vous préparer le thread suivant pour vendredi prochain). D'ici-là, j'espère que tout ça vous plaît toujours !

@Nic Tu peux me tutoyer, hein :-)

@lienrag Ce sont des nébuleuses, des nuages de gaz beaucoup plus petits que les galaxies. Et je ne suis pas sûr qu'elles soient tellement nombreuses à prendre cette forme :-)

(Blague à part, la carcinisation est un phénomène cool mais plutôt logique pour les crustacés, la forme de crabe étant beaucoup plus robuste et manifestement pas trop compliquée à obtenir en un nombre raisonnable de mutations.)