Les toiles

Les toiles neutrons

En 1934, Walter Baade et Fritz Zwicky prdisaient l'existence d'toiles constitues de neutrons et tablirent leur connexion avec l'explosion des supernovae. Leur thorie sera dveloppe de faon rigoureuse par J.Oppenheimer et G.Volkoff en 1939. Leurs quations prcisent que lorsqu'une toile jeune dpasse 1.4 fois la masse du Soleil mais sans dpasser 5.8 M¤ (masse solaire), les forces gravitationnelles sont si importantes qu'elles peuvent dpasser la force totale des lectrons dont l'interaction lectromagntique peut empcher l'effondrement des petites toiles naines ainsi que nous l'avons vu prcdemment.

Bravant la limite de Chandrasekhar le noyau continue alors de s'effondrer. La pression lectronique est tellement leve que les lectrons acquirent une vitesse relativiste leur permettant de franchir les barrires du noyau atomique, jusqu' ce qu'ils soient arrts par les forces nuclaires intra-atomiques de l'interaction forte. Les lectrons librs de leur orbite s'annihilent avec les protons des noyaux. Leur charge devient neutre ce qui transforme le noyau de l'toile en une sorte de nuclon aux proportions astronomiques. C'est une toile dite "dgnre", dont la matire s'est transforme en neutron, d'o l'toile a tir son nom. Contrairement l'tat libre des neutrons, une fois confins ou stabiliss dans un atome, leur dure de vie dpasse les 15 minutes fatidiques - heureusement, sans quoi tout l'univers s'croulerait au terme de ce dlai ! Le coeur de l'toile peut prsent rsister la force gravitationnelle et ne s'effondre plus. L'quilibre de l'toile est assur.

Les toiles de la Squence principale ayant plus de 8 M¤ mais qui ne dpassent pas environ 30 ou 40 M¤ gnrent en fin de cycle des noyaux d'toiles blanches dont la masse critique peut s'effondrer jusqu' former des toiles neutrons et dclencher la phase supernova. Les toiles ayant une masse critique plus leve, sans toutefois dpasser 60 100 M¤, volueront galement jusqu' la transition toile naine-toile neutron mais connatront en plus la phase de trou noir.

La nbuleuse du crabe avec son toile  neutron centrale.

La nbuleuse du crabe avec son toile neutron centrale.


Une toile neutron de quelques masses solaires prsente un diamtre de 10 30 km seulement. Comment une telle masse peut-elle tenir dans un corps aussi petit sans le faire clater ? Pour cela il faut se replonger dans un cours d'astrophysique et se rappeler la limite impose par la « luminosit d'Eddington » qui impose un seuil d'quilibre entre gravitation et pression de radiation. Si le Soleil par exemple voulait mettre un rayonnement thermique proche de l'nergie d'une toile neutron ou d'un pulsar X, sachant que sa luminosit d'Eddington serait gale 25000 fois sa luminosit actuelle, sa surface devrait tre cent mille milliards (1015) de fois plus lumineuse, soit quelques milliards de fois suprieure la luminosit d'Eddington. En consquence, sa surface devra tre rduite dans un facteur comparable pour ne pas dpasser la luminosit critique au risque de voler en clats par l'intensit des radiations, face auxquelles mme la force de gravit est impuissante.

C'est la raison pour laquelle toutes les toiles mettant un intense rayonnement X ne font que quelques dizaines de kilomtres de rayon, tandis que les astres rayonnant des photons gamma se rduisent un volume encore plus troit de quelques kilomtres de rayons.

La densit d'une toile neutron quivaut des milliards de fois celle du plomb : un centimtre cube de cette matire peut peser plusieurs centaines de millions de tonnes sur Terre. En fait il ne pourrait mme pas se maintenir la surface de la Terre et s'enfoncerait jusqu'au noyau. Sa densit a t dcrite comme quivalent l'empaquetage de toutes les voitures du monde dans un d coudre !

Reprsentation de la structure d'une toile  neutron.

Reprsentation de la structure d'une toile neutron.


La matire est tellement comprime que son champ magntique peut atteindre une intensit de 109 tesla, alors qu'un Soleil en pleine activit ne franchit mme pas l'unit et qu'il est dix mille fois moins intense pendant les phases calmes de son activit de surface !

Mais d'o cette petite toile tire-t-elle une nouvelle fois autant d'nergie ? l'image de la conservation du moment angulaire, pendant l'effondrement stellaire le flux magntique, c'est--dire le produit de l'intensit du champ magntique par la surface de l'toile reste constant. Ce phnomne explique qu'une petite toile de cet acabit prsente un champ magntique des milliards de fois suprieur celui du Soleil.

Ce n'est pas tout. Avec une densit aussi leve, la force de gravit la surface d'une toile neutron atteint 1011 fois celle que nous connaissons ici bas et l'nergie de liaison qui unit ses neutrons atteint 10% de leur masse au repos contre seulement 0.7% pour le noyau d'hlium labor dans le chaudron solaire !

Ces phnomnes extrmes qui s'expliquent tous par des lois physiques provoquent l'mission d'une nergie considrable suprieure 100 MeV/nuclon, un taux de conversion bien suprieur celui d'une raction thermonuclaire de fusion qui libre environ 8 MeV/nuclon.

Cela s'explique nouveau par les proprits de l'astre : intense champ magntique conjugu une rotation rapide, l'toile neutron se transforme en gnrateur de courant, en dynamo, l'instar des installations du CERN ! Une toile neutron peut gnrer des particules capables de dvelopper 10 millions de milliards de volts ! Par respect des lois qui gouvernent le corps noir, tant donn que son volume est tellement rduit, une toile neutron qui veut briller comme le Soleil doit, en vertu de la loi de Stefan briller deux milliards de fois plus que le Soleil. Mais cela la contraint de monter en temprature. Il n'est donc pas tonnant de constater que la surface d'une toile neutron peut atteindre 10 millions de degrs, juste ce qu'il faut pour qu'elle ait la luminosit du Soleil. Mais malheureusement elle restera invisible; cette temprature elle brille surtout en lumire X et gamma, ce qui ravit les chercheurs spcialiss dans ces disciplines. Pour les binaires X le rayonnement X est dix mille fois plus intense que la lumire visible du Soleil et peut atteindre 1038 ergs/sec.

Reprsentation artistique d'une toile  neutron.

Reprsentation artistique d'une toile neutron.


Comme toute les toiles, les toiles neutrons tournent sur elles-mmes par effet gravifique. Pendant leur effondrement, l'image des patineuses qui rabattent leurs bras pour tourner sur elles-mmes de plus en plus vite, les toiles neutrons prsentent une vitesse de rotation qui peut s'lever plusieurs milliers de tours par seconde ! Ce mouvement est rigide. Ce mouvement de toupie est parfaitement naturel car il est proportionnel la masse, la vitesse angulaire et au rayon de l'toile, c'est ce qu'on appelle la conservation du moment angulaire. Prenons un exemple. A masse gale, si le rayon d'une toile neutron devient dix fois plus petit qu'au dpart, sa vitesse angulaire doit tre proportionnelle au carr de son rayon, c'est--dire que sa vitesse de rotation doit tre cent fois plus rapide qu'au dpart ! Si le Soleil devenait une toile aussi compacte, il passerait d'un rayon de prs de 700000 km quelque 15 km. Effectuant actuellement une rotation en quelque 25 jours, une fois comprim il devrait tourner sur lui-mme raison de 1000 tours/ sec !

On estime aujourd'hui qu'il existe 100 millions d'toiles neutrons dans notre Galaxie, soit une toile neutron pour un peu plus de 1000 toiles ordinaires. La plupart sont «mortes» et ne dissipent plus d'nergie mais beaucoup sont encore actives et observables.

Dans leur volution, les toiles neutrons sont non seulement les filles dgnres d'toiles naines massives mais sont galement associes aux pulsars.

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