Extrayez une seule cuillerée de matière d'étoile à neutrons et elle pèserait environ 900 fois plus que la Grande Pyramide de Giza. Rien dans cette phrase n'est une exagération — c'est simplement ce qui se passe lorsque le noyau d'une étoile mourante s'effondre au-delà du point où les atomes peuvent maintenir leur forme.
Une étoile à neutrons est ce qui reste après l'effondrement d'une étoile massive. Ce n'est ni une planète, ni une étoile normale, ni tout à fait un trou noir — elle se situe dans la zone étroite juste avant que la gravité gagne complètement. Les astronomes ont découvert des exemples de plus en plus étranges d'étoiles à neutrons depuis la découverte de Jocelyn Bell Burnell, des étoiles qui tournent plus vite qu'un mélangeur de cuisine à des étoiles dont les champs magnétiques pourraient effacer une carte de crédit depuis le point à mi-chemin entre la Terre et la Lune.
Une étoile comprimée à la taille d'une ville
Prenez une étoile avec environ 1,4 fois la masse du Soleil et comprimez-la dans une sphère d'environ 10 kilomètres (6 miles) de diamètre, et vous obtenez une étoile à neutrons. C'est à peu près la largeur d'une petite ville, contenant la masse d'une étoile qui a brûlé pendant des millions d'années sur un diamètre que vous pourriez traverser en quelques minutes.
L'écrasement est si extrême que la matière ordinaire ne peut pas y survivre. Les protons et les électrons sont forcés ensemble en neutrons, ce qui est d'où l'objet tire son nom. Le résultat est si dense qu'une seule cuillerée de celui-ci pèserait environ 900 fois plus que la Grande Pyramide de Giza — un fait qui cesse de sembler abstrait au moment où vous essayez d'imaginer une cuillerée si lourde sur une table de cuisine.
Le point où même une étoile à neutrons abandonne
Les étoiles à neutrons ont une limite de poids, et la dépasser signifie devenir un trou noir. L'événement de fusion 2017 GW170817, que l'on croit s'être effondré en un trou noir peu après l'impact, a permis aux astronomes d'utiliser son signal d'ondes gravitationnelles pour fixer cette limite à environ 2,17 masses solaires pour une étoile à neutrons non rotative.
Les véritables étoiles à neutrons se rapprochent remarquablement de cette limite. La plus massive confirmée jusqu'à présent, un pulsar catalogué sous PSR J0952-0607, pèse environ 2,35 masses solaires, le vrai chiffre étant incertain d'environ 0,17 de chaque côté. Cela la place juste à la limite où une version légèrement plus lourde du même objet cesserait d'être une étoile.
Certaines tournent plus vite qu'un mélangeur
Parce qu'une étoile qui s'effondre conserve la plupart de sa rotation originelle tout en se réduisant à une fraction de sa taille antérieure, les étoiles à neutrons finissent par tourner à des vitesses qui n'ont pas de comparaison quotidienne. Le détenteur du record, un pulsar nommé PSR J1748-2446ad, complète 716 rotations par seconde — cela représente 42 960 tours par minute, avec le matériel en surface se déplaçant à environ un quart de la vitesse de la lumière.
Les étoiles à neutrons rotatives qui rayonnent vers la Terre sont appelées pulsars, car de notre point de vue le rayon ressemble à une impulsion rythmique, similaire à un phare balayant un navire. Un pulsar typique n'est que d'environ 30 kilomètres de largeur mais réussit quand même à tourner des centaines de fois par seconde tout en tirant ce faisceau d'ondes radio — et parfois des rayons X — dans l'espace.
Un enregistreur graphique, 57 courts de tennis et une découverte négligée
Les pulsars ont été découverts presque par accident. Une étudiante au doctorat de Cambridge nommée Jocelyn Bell a aidé à construire un radiotélescope qui couvrait un peu moins de deux hectares, à peu près la même superficie que 57 courts de tennis. Au lieu d'un écran, il produisait ses résultats de manière analogique : des enregistrements graphiques sur papier qui s'étendaient sur plus de 30 mètres chaque jour, qu'elle devait examiner manuellement.
Enfoui dans ce papier se trouvait un signal trop régulier pour être du bruit. Bell et son superviseur, Antony Hewish, ont publié la découverte dans la revue Nature, et la découverte a finalement remporté un prix Nobel — mais lorsque le prix Nobel de physique 1974 a été décerné pour cela, l'honneur est allé à Hewish et à son collègue Martin Ryle, pas à Bell elle-même, une décision toujours débattue par les physiciens aujourd'hui.
La chasse aux pulsars a beaucoup progressé depuis une pile d'impressions papier. Les astronomes ont maintenant catalogué plus de 2 600 pulsars, principalement au sein de la Voie lactée, et les utilisent pour rechercher des ondes gravitationnelles basse fréquence, cartographier la structure de la galaxie et tester la théorie de la relativité générale d'Einstein. Le radiotélescope Parkes d'Australie, qui a fait sa première observation de pulsar en 1968, est apparu plus tard aux côtés d'une image de pulsar sur le premier billet de 50 dollars australien — un cas rare d'un instrument scientifique sur la monnaie.
Magnétars : Les aimants les plus forts de l'univers
Certaines étoiles à neutrons vont encore plus loin dans les extrêmes. Les magnétars sont une sous-classe avec des champs magnétiques si puissants que la physique ordinaire commence à se plier autour d'eux, et en juillet 2021, les astronomes en avaient confirmé 24.
L'ampleur de ce magnétisme est difficile à exagérer. Positionnée à mi-chemin entre la Terre et la Lune — dont la séparation moyenne est de 384 400 kilomètres (238 900 miles) — le champ d'un magnétar pourrait quand même effacer les données sur la bande magnétique de chaque carte de crédit de la planète. S'en rapprocher dans la vie réelle serait une très mauvaise idée, et heureusement, les magnétars connus les plus proches ne sont pas du tout aussi proches.
Quand deux d'eux entrent en collision
Les étoiles à neutrons orbitent occasionnellement assez près pour spiraler et fusionner, et le résultat est l'un des événements les plus violents que les astronomes puissent observer. Les ondes gravitationnelles d'une telle collision, nommée GW170817, ont atteint les observatoires LIGO et Virgo le 17 août 2017 ; la source était deux étoiles à neutrons fusionnant dans NGC 4993, une galaxie dans la constellation d'Hydra à environ 140 millions d'années-lumière de la Terre.
Cette fusion n'était pas un cas isolé. Un sursaut gamma appelé GRB150101B, soupçonné d'être un événement de fusion similaire, a été retracé à un emplacement beaucoup plus éloigné de la Terre — environ 1,7 milliard d'années-lumière de distance — suggérant que ces collisions se produisent plus souvent dans l'univers que ne le montrerait toute détection unique. On pense que chaque fusion forge des éléments lourds qu'aucune étoile ordinaire ne peut produire, ensemençant l'univers de matériaux qui finissent par se retrouver dans les planètes et possiblement dans les bijoux.
Compagnie étrange : une peur extraterrestre et une couverture d'album
Les étoiles à neutrons ont laissé leur marque bien au-delà des revues d'astronomie. Les premières planètes confirmées en dehors de notre propre système solaire ont été découvertes en 1992, et elles n'orbitaient pas du tout autour d'une étoile ordinaire — elles orbitaient autour du pulsar PSR B1257+12, une découverte qui a surpris les chercheurs qui avaient cherché des planètes autour d'étoiles semblables au Soleil.
Des décennies plus tôt, le tout premier signal de pulsar était si régulièrement précis que les scientifiques se sont brièvement demandé s'il pourrait s'agir d'une balise artificielle. Ce n'était pas le cas, mais un diagramme de son signal rythmique a eu une seconde vie improbable : le groupe post-punk anglais Joy Division a choisi ce diagramme de pulsar comme œuvre d'art pour Unknown Pleasures, le disque de 1979 qui a lancé ses débuts — transformant une lecture de physique en l'une des images les plus reconnaissables de la musique rock.