Pulsars

L’axe magnétique d’une étoile à neutrons n’étant en général, à l’instar de la Terre, pas parfaitement aligné avec son axe de rotation, la région d’émission correspond à un instant donné à un faisceau, qui balaie au cours du temps un cône du fait de la rotation de l’astre. Un pulsar se signale pour un observateur distant sous la forme d’un signal périodique, la période correspondant à la période de rotation de l’astre. Ce signal est extrêmement stable, car la rotation de l’astre l’est également, toutefois il ralentit très légèrement au cours du temps.

Les pulsars sont issus de l’explosion d’une étoile massive en fin de vie, phénomène appelé supernova (plus précisément supernova à effondrement de cœur, l’autre classe de supernovas, les supernovas thermonucléaires ne laissant pas derrière elles de résidu compact). Toutes les supernovas à effondrement de cœur ne donnent pas naissance à des pulsars, certaines laissant derrière elles un trou noir. Si une étoile à neutrons a une durée de vie virtuellement infinie, le phénomène d’émission caractéristique d’un pulsar ne se produit en général que pendant quelques millions d’années, après quoi il devient trop faible pour être détectable avec les technologies actuelles.

Les pulsars ont été découverts de façon quelque peu fortuite, en 1967, par Jocelyn Bell (maintenant Jocelyn Bell-Burnell) et son directeur de thèse Antony Hewish. Dans le laboratoire Cavendish de l’université de Cambridge, ils étudiaient des phénomènes de scintillation réfractive dans le domaine radio et avaient de ce fait besoin d’un appareil mesurant des variations d’un signal radio sur des courtes durées (une fraction de seconde). L’instrument a permis de détecter la variation périodique d’objets qui, considérés, un temps, pour plaisanter, comme des sources de signaux de communication émanant d’une intelligence extraterrestre, se sont avérés être des pulsars, le premier d’entre eux portant le nom de PSR B1919+21 (ou CP 1919 à l’époque). Sept ans plus tard, le prix Nobel de physique, le premier prix Nobel récompensant des recherches en astronomie, fut attribué à Hewish et à son collaborateur Martin Ryle, pour leurs travaux pionniers dans le domaine de la radioastrophysique. Bien que la Fondation Nobel ait souligné la rôle décisif de Hewish dans la découverte des pulsars, elle n’a pas reconnue Jocelyn Bell comme codécouvreuse du nouvel objet astronomique. Une partie de la communauté des astronomes estimait que Bell n’avait fait que rendre compte, dans son travail de thèse, d’un phénomène qu’elle n’avait pas compris. D’autres scientifiques, dont Fred Hoyle, ont manifesté leur indignation devant ce qu’ils considéraient comme une injustice.

Les pulsars ont depuis permis le développement important de très nombreuses disciplines de l’astrophysique, allant de tests de la relativité générale et de la physique de la matière condensée, jusqu’à l’étude de la structure de la Voie lactée et bien sûr des supernovas. L’étude d’un pulsar binaire, PSR B1913+16, a pour la première fois permis de mettre en évidence la réalité du rayonnement gravitationnel prédit par la relativité générale, et a également été récompensée du prix Nobel de physique (Russell Alan Hulse et Joseph Hooton Taylor, en 1993).

Du fait que l’émission d’un pulsar est cantonnée à un cône, un grand nombre de pulsars sont inobservables depuis la Terre, car celle-ci ne se trouve pas dans le cône balayé par le faisceau de nombreux pulsars. Néanmoins, plus de 2 000 pulsars sont connus à l’heure actuelle (2007), la quasi-totalité d’entre eux étant situés dans la Voie lactée ou certains de ses amas globulaires, les autres, très peu nombreux, étant situés dans les deux Nuages de Magellan. Même un pulsar aussi énergétique que le pulsar le plus énergétique connu (le pulsar du Crabe, aussi appelé PSR B0531+21) serait a priori indétectable s’il était observé depuis la galaxie d’Andromède (M31), aussi la Voie lactée et les Nuages de Magellan sont-elles les seules galaxies où il semble envisageable d’étudier ces objets avec les technologies actuelles.

Il existe une grande variété de types de pulsar (pulsars radio, pulsars X, pulsars X anormaux, magnétars, pulsars milliseconde), dont les propriétés dépendent essentiellement de leur âge et de leur environnement.

Les pulsars radio représentent le gros de la population observée des pulsars. Il s’agit d’objets détectés dans le domaine des ondes radio par leur émission pulsée. Leur détection fait l’objet de techniques particulières, le caractère pulsé de l’émission étant relativement difficile à mettre en évidence, sauf propriétés spécifiques de certains de ces pulsars (pulses géants notamment). De façon paradoxale, le processus physique précis qui explique l’intense émission radio de ces objets n’est pas bien connu… ce qui n’empêche en rien d’étudier ces objets par son intermédiaire.
Les pulsars X émettent dans le domaine des rayons X, caractéristique qui regroupe plusieurs phénomènes distincts. Cette émission en X n’est en général pas due à l’émission de leur surface, pourtant très chaude (plusieurs millions de kelvins, voire beaucoup plus), mais est produite à l’extérieur de celle-ci par des processus énergétiques résultant de la rotation rapide de l’étoile à neutrons. Une autre possibilité est qu’elle est due au dégagement d’énergie très intense causé par de la matière s’écrasant sur leur surface et échauffée lors de sa chute sur celle-ci. De tels pulsars sont situés au sein d’un système binaire dans lequel ils orbitent avec un compagnon qui est une étoile ordinaire. Si l’émission X de ce type d’objet est dans ce cas très facile à observer (l’énergie ainsi rayonnée est considérable, de l’ordre de 1031 watts, soit plusieurs dizaines de milliers de luminosités solaires), son caractère pulsé est en revanche bien plus difficile à mettre en évidence, au point que diverses sources de ce type (appelées pour des raisons évidentes binaires X) ne sont pas identifiables en tant que pulsars X.
Les pulsars gamma sont comme leur nom l’indique des pulsars émettant dans le domaine des rayons gamma. Quand ces objets ne font pas partie d’un système binaire, leur émission gamma est rare (ou en tout cas difficilement détectable) : seuls 7 pulsars gamma sont connus début 2008, avant le lancement du satellite Fermi (en 2013 plus d’une centaine). Si l’on excepte les pulsars présents dans les systèmes binaires, la quasi-totalité des pulsars X et pulsars gamma sont aussi des pulsars radio. La seule (notable) exception à cette règle est PSR J0633+1746, plus connu sous le nom de Geminga, qui de façon paradoxale est une des sources gamma les plus puissantes du ciel, mais qui demeure à ce jour totalement indétectable en radio.
Les pulsars X anormaux sont comme leur nom l’indique des pulsars X dont l’émission est « anormale », en l’occurrence, supérieure à l’émission maximale que ces objets devraient a priori avoir. Ils sont le signe qu’un autre processus physique, mal identifié à ce jour, leur confère une énergie importante.
Les magnétars sont des pulsars dont le champ magnétique est extrêmement élevé (jusqu’à 1011 teslas). De tels objets sont vraisemblablement très jeunes. Il n’est pas bien établi si ces objets sont intrinsèquement rares ou s’ils représentent un état transitoire bref mais normal de la vie d’un pulsar.
Les pulsars milliseconde sont des pulsars très âgés, dotés d’un champ magnétique très faible (pour un pulsar, soit quand même de l’ordre de 104 teslas) mais d’une vitesse de rotation très élevée. Ces pulsars sont souvent en orbite autour d’un compagnon, en général étoile ou naine blanche. La présence de ce compagnon semble jouer un rôle crucial dans la formation de ces objets.

Historique de la découverte

Les pulsars ont été découverts en 1967 par Jocelyn Bell et Antony Hewish à Cambridge alors qu’ils utilisaient un radiotélescope pour étudier la scintillation des quasars. Ils trouvèrent un signal très régulier, constitué de courtes impulsions de rayonnement se répétant de façon très régulière (la période de 1,337301192 seconde étant ultérieurement mesurée avec une très haute précision). L’aspect très régulier du signal plaidait pour une origine artificielle, mais une origine terrestre était exclue car le temps qu’il prenait pour réapparaitre était un jour sidéral et pas un jour solaire, indiquant une position fixe sur la sphère céleste, chose impossible pour un satellite artificiel.

Ce nouvel objet fut baptisé CP 1919 pour « Cambridge Pulsar à19 h 19 min d’ascension droite » et est nommé aujourd’hui PSR B1919+21 pour « Pulsar à 19h19m en ascension droite et +21° de déclinaison ». Jean-Pierre Luminet indique que « lors de la découverte de ces objets extraordinaires, en 1967, certains astronomes ont d’abord cru qu’il s’agissait de signaux artificiels émis par des intelligences extra-terrestres, car la régularité de la pulsation paraissait surnaturelle » : le premier pulsar a ainsi été baptisé « LGM-1 » — et ainsi de suite pour les suivants : LGM-2, etc. — pour Little Green Men-1 (litt. « petits hommes verts-1 »)20. Après maintes spéculations, il fut admis que le seul objet naturel qui pourrait être responsable de ce signal était une étoile à neutrons en rotation rapide. Ces objets n’avaient pas encore à l’époque été observés, mais leur existence comme produit de l’explosion d’une étoile massive en fin de vie ne faisait guère de doute. La découverte du pulsar PSR B0531+21 au sein de la nébuleuse du Crabe (M1), résultat de la supernova historique SN 1054 abondamment décrite par les astronomes d’extrême-Orient (Chine, Japon) acheva de parfaire l’identification entre pulsars et étoiles à neutrons.

La population de pulsars s’enrichit peu à peu de nouveaux objets, dont certains avaient des propriétés atypiques. Ainsi, le premier pulsar binaire, c’est-à-dire faisant partie d’un système binaire fut découvert en 1974. Il possédait la propriété remarquable de posséder comme compagnon une autre étoile à neutrons, formant avec lui un système binaire en orbite extrêmement serrée, au point que la gravitation universelle ne permet pas d’expliquer les détails de l’orbite du pulsar, révélée par les modulations des temps d’arrivée de l’émission pulsée de ces objets. La précision élevée des mesures a permis aux astronomes de calculer la perte d’énergie orbitale de ce système, que l’on attribue à l’émission d’ondes gravitationnelles. Un système encore plus remarquable fut découvert en 2004, le pulsar double PSR J0737-3039. Ce système est composé de deux étoiles à neutrons, qui sont toutes deux vues comme des pulsars. Ils forment le système avec une étoile à neutron le plus serré connu à ce jour, avec une période orbitale d’environ deux heures. Encore plus remarquable, l’inclinaison de ce système est très basse (le système est quasiment vu dans son plan orbital), au point qu’un phénomène d’éclipse se produit pendant quelques dizaines de secondes lors de la révolution du système. Cette éclipse n’est pas due au masquage du pulsar d’arrière-plan par la surface de celui d’avant-plan, mais au fait que les pulsars sont entourés d’une région fortement magnétisée et siège de phénomènes électromagnétiques complexes, la magnétosphère. Cette magnétosphère est susceptible d’empêcher la propagation du rayonnement issu du pulsar d’arrière-plan, offrant l’opportunité unique d’étudier la structure de la magnétosphère de ces objets.

Dans les années 1980, on découvrit les pulsars milliseconde, qui, comme leur nom l’indique, possèdent des périodes de quelques millisecondes (typiquement entre 2 et 5). Depuis 1982, le pulsar PSR B1937+21 possédait la fréquence de rotation la plus élevée. Sa fréquence de rotation s’élevait à 642 Hz. Au cours du mois de janvier 2006, une publication a fait état de la détection d’un pulsar baptisé PSR J1748-2446ad (ou Ter5ad pour faire plus court, le pulsar étant situé au sein de l’amas globulaire Terzan 5) et dont la fréquence de rotation s’élève à 716 Hz. La recherche des pulsars à la rotation la plus rapide est d’un intérêt élevé pour l’étude de ces objets. En effet, leur période de rotation maximale est directement liée à leur taille : plus leur taille est petite, plus leur vitesse de rotation maximale peut être élevée, ceci parce que la vitesse de rotation d’un objet est limitée par le fait que la force centrifuge ne peut excéder la force de gravitation, sans quoi l’objet perdrait spontanément la masse située dans ses régions équatoriales. La force centrifuge subie par les régions équatoriales augmente avec la taille de l’objet, alors que sa gravité de surface diminue. Un objet en rotation très rapide est ainsi signe d’un objet intrinsèquement petit, ce qui peut permettre de fixer sa structure interne, une étoile à neutrons très petite étant signe non pas d’un objet peu massif, mais d’un objet très compact.