Pulsar: L'étoile de 30 kilomètres qui tourne des centaines de fois par seconde

Un pulsar ne peut pas être plus large que 30 kilomètres, mais il tourne sur son axe des centaines de fois chaque seconde, projetant un faisceau d'ondes radio – et, moins souvent, des radiations d'énergie plus élevée comme les rayons X. Parce que ce faisceau ne touche la Terre que lorsqu'il la traverse par hasard, les radiotélescopes l'enregistrent comme une impulsion rapide et régulière plutôt qu'une lueur constante, ce qui est d'où vient le nom.

Les astronomes ont maintenant catalogué plus de 2.600 de ces objets, dont la plupart à l'intérieur de la Voie lactée. Loin d'être une curiosité, ce catalogue est devenu une boîte à outils scientifique fonctionnelle: les chercheurs utilisent les pulsars pour rechercher les ondes gravitationnelles basse fréquence, cartographier la structure de la galaxie et tester la théorie générale de la relativité d'Einstein dans des conditions qu'aucun laboratoire sur Terre ne pourrait jamais recréer.

Ce qui suit est l'histoire de la façon dont les pulsars ont été trouvés, les étranges records que certains d'entre eux détiennent, et ce que des décennies d'observation ont enseigné aux physiciens sur la gravité elle-même.

En 1967, Jocelyn Bell Burnell a découvert les premiers pulsars radio alors qu'elle travaillait encore vers son doctorat. Elle ne scannait pas un écran pour le signal – son équipement de suivi produisait plus de 30 mètres d'enregistrements graphiques au stylo et au papier chaque jour, et les étranges impulsions régulières devaient être repérées à l'œil nu parmi le bruit.

Ce type de tri de données patient et manuel est facile à oublier une fois qu'une découverte devient la physique des manuels scolaires, mais c'est exactement comment un signal inexpliqué s'est transformé en une classe de stars entièrement nouvelle.

En 1974, Antony Hewish et Martin Ryle sont devenus les premiers astronomes jamais récompensés par le prix Nobel de physique, honorés en partie pour le rôle décisif de Hewish dans l'illumination des pulsars. C'est l'un des prix Nobel les plus débattus en astronomie, parce que la découverte qui l'a rendu possible était celle de Bell Burnell: sa découverte a mérité le même prix Nobel de physique de 1974, mais elle-même n'a pas été nommée parmi les destinataires.

L'épisode est devenu un point de référence standard dans les conversations sur le crédit en science – non pas parce que quelqu'un doute de ce qu'elle a trouvé, mais à cause de qui le comité du prix Nobel a choisi de récompenser pour l'avoir trouvé.

Tous les pulsars ne restent pas tranquilles dans l'espace vide. Le Pulsar du Crabe occupe le centre de la Nébuleuse du Crabe, l'épave d'une supernova que les observateurs sur Terre ont vu briller en l'an 1054 – des siècles avant que quiconque ne comprenne ce qu'ils voyaient.

Le Pulsar du Crabe lui-même fait environ 20 kilomètres de large, assez petit pour tenir dans une ville de taille moyenne, et effectue une rotation complète tous les 33.392 millisecondes. Cela représente ses faisceaux balayant un observateur 29.946 fois chaque seconde – assez rapide pour que la nébuleuse autour d'elle brille et scintille en synchronisation avec la rotation.

Les pulsars ordinaires sont déjà rapides, mais une classe séparée pousse l'idée beaucoup plus loin. PSR B1937+21 possède un titre historique: découvert en 1982, c'était le premier pulsar millisecondes jamais identifié, et il tourne à environ 641 rotations par seconde. Presque un demi-siècle plus tard, il se classe toujours comme le second plus rapide parmi les environ 200 pulsars millisecondes maintenant connus – un rappel de la manière dont ces objets peuvent être extrêmes.

Les pulsars se sont avérés cacher une autre surprise: les planètes. En 1992, Aleksander Wolszczan a trouvé les premières planètes extrasolar jamais confirmées, orbitant le pulsar PSR B1257+12 – des années avant que quiconque ne détecte une planète autour d'une étoile normale, semblable au Soleil.

L'une des planètes de ce système, cataloguée comme PSR B1257+12 b, est remarquablement petite: sa masse est juste sous le double de celle de la Lune, ce qui en fait toujours l'objet confirmé le moins massif jamais trouvé au-delà du Système solaire. Trouver une planète autour d'un pulsar était surprenant; en trouver une si légère était presque accidentelle.

La même année où Hewish et Ryle ont reçu leur prix Nobel, les physiciens Joseph Hooton Taylor Jr. et Russell Hulse avaient déjà trouvé quelque chose d'aussi important, en 1974: le premier pulsar connu pour orbiter une autre étoile, désigné PSR B1913+16. Parce que les impulsions d'un pulsar arrivent avec une régularité d'horloge, leur chronomètre a permis aux physiciens de mesurer ce système binaire avec une précision extraordinaire.

Des décennies de ce chronomètre ont produit des estimations de masse de 1,4398 masses solaires pour le pulsar et 1,3886 masses solaires pour son compagnon – des chiffres assez précis pour détecter une prédiction subtile de la relativité générale. La période orbitale de la paire se réduit à 0,997 fois le taux que l'amortissement des radiations gravitationnelles de la relativité prédit – environ aussi proche qu'un ajustement parfait entre théorie et observation en astrophysique.

Presque tous les pulsars connus sont ce que les astronomes appellent un pulsar d'étoile à neutrons – mais pas tous. Dans le système binaire AR Scorpii, la lumière pulsée ne provient pas d'une étoile à neutrons mais d'une naine blanche: un reste stellaire hautement magnétisé, avec une intensité de champ jusqu'à 500 MG, dont le ralentissement de spin alimente les impulsions de la même manière qu'une étoile à neutrons.

Cela rend AR Scorpii le premier exemple confirmé d'un pulsar de naine blanche, élargissant la définition de «pulsar» bien au-delà du type d'objet qui lui a donné un nom à l'origine.

La recherche de plus de pulsars continue de devenir plus capable. Le radiotélescope de Parkes en Australie a effectué sa première observation de pulsar en 1968 et est depuis devenu une icône nationale, apparaissant à côté d'une image de pulsar sur le premier billet australien de $50. Plus récemment, le radiotélescope FAST de la Chine – son nom complet est le Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope – est devenu l'un des instruments les plus puissants qui scannent maintenant le ciel pour de nouveaux pulsars.

Entre les nouveaux plats sensibles et des décennies de données de chronomètre patient, la science des pulsars ne montre aucun signe de ralentissement; les objets qui ont commencé comme un motif inexpliqué sur une bande de papier graphique sont devenus l'un des outils les plus productifs de l'astrophysique.

• Phys.org: Fifty years ago, Jocelyn Bell discovered pulsars and changed our view of the universe
• arXiv: Timing Measurements of the Relativistic Binary Pulsar PSR B1913+16
• arXiv: Polarimetric evidence of a white dwarf pulsar in the binary system AR Scorpii
• Wikipedia: Pulsar
• Wikipedia: Jocelyn Bell Burnell
• Wikipedia: Crab Pulsar
• Wikipedia: Millisecond pulsar