Étoiles à neutrons et pulsars

Une étoile à neutrons concentre plus que la masse du Soleil dans une sphère de la taille d'une ville, soutenue par la dégénérescence des neutrons et les forces nucléaires ; lorsqu'elle tourne et émet un rayonnement en faisceau, nous l'observons comme un pulsar.

Definition

Une étoile à neutrons est un résidu stellaire compact quelques fois plus dense qu'un noyau atomique, principalement soutenu par la pression de dégénérescence des neutrons et les forces nucléaires ; un pulsar est une étoile à neutrons fortement magnétisée et en rotation rapide, observée sous forme d'impulsions de rayonnement.

Scope

Ce sujet aborde la formation des étoiles à neutrons lors des supernovae à effondrement de cœur, leur structure interne et l'équation d'état de la matière dense, encore mal connue, la masse maximale des étoiles à neutrons, les pulsars alimentés par rotation et leur utilisation comme horloges précises, ainsi que les champs magnétiques extrêmes des magnétars.

Core questions

• Comment les étoiles à neutrons se forment-elles et qu'est-ce qui les soutient ?
• Quelle est la nature de la matière à l'intérieur d'une étoile à neutrons ?
• Pourquoi les pulsars émettent-ils des impulsions régulières ?
• Quelle est la masse maximale qu'une étoile à neutrons peut avoir ?

Key concepts

• dégénérescence des neutrons
• équation d'état
• pulsar
• dipôle magnétique
• ralentissement de la rotation
• magnétar
• glitch

Key theories

Dégénérescence des neutrons et équation d'état de la matière dense

Les étoiles à neutrons sont soutenues par la pression de dégénérescence des neutrons, rigidifiée par la force nucléaire répulsive ; leur structure découle de l'équation d'état de la matière au-delà de la densité nucléaire, qui établit la relation entre la masse et le rayon ainsi que la masse maximale.

Le modèle du dipôle magnétique en rotation des pulsars

Un pulsar est une étoile à neutrons en rotation rapide dont le champ magnétique puissant et désaligné canalise des faisceaux de rayonnement le long de ses pôles ; à mesure que l'étoile tourne, le faisceau balaye la Terre, produisant les impulsions régulières observées, tandis que le freinage magnétique ralentit progressivement la rotation.

Mechanisms

Lorsqu'un cœur de fer d'une étoile massive s'effondre, les électrons se combinent aux protons pour former des neutrons et le cœur rebondit pour former une étoile à neutrons d'environ vingt kilomètres de diamètre. La conservation du moment angulaire et du flux magnétique la laisse tourner rapidement avec un champ magnétique énorme ; les particules chargées accélérées le long des lignes de champ produisent un rayonnement en faisceau observé sous forme d'impulsions, tandis que les couples magnétiques drainent lentement son énergie de rotation.

Clinical relevance

Les étoiles à neutrons sont des laboratoires naturels pour l'étude de la matière à des densités supranucléaires et de la gravité en champ fort ; les pulsars millisecondes rivalisent avec les horloges atomiques et sont utilisés pour tester la relativité générale et rechercher des ondes gravitationnelles, et les fusions d'étoiles à neutrons produisent des éléments lourds et des signaux d'ondes gravitationnelles détectables.

History

Baade et Zwicky ont proposé les étoiles à neutrons en 1934, Oppenheimer et Volkoff les ont modélisées en 1939, et Jocelyn Bell Burnell a découvert le premier pulsar en 1967 ; Pacini et Gold ont rapidement identifié les pulsars comme des étoiles à neutrons magnétisées en rotation, une description confirmée par le pulsar de la nébuleuse du Crabe.

Debates

L'équation d'état des étoiles à neutrons et la masse maximale

Le comportement de la matière au-delà de la densité nucléaire, et par conséquent la masse maximale des étoiles à neutrons et la présence possible de phases exotiques telles que la matière de quarks, restent incertains ; les mesures de masse et de rayon ainsi que les observations d'ondes gravitationnelles réduisent progressivement les possibilités.

Key figures

• Jocelyn Bell Burnell
• Antony Hewish
• Fritz Zwicky
• Franco Pacini

Seminal works

• hewish1968
• shapiro1983

Frequently asked questions

Comment quelque chose d'aussi petit peut-il être aussi lourd ?

Dans une étoile à neutrons, la gravité a comprimé la matière à des densités comparables ou supérieures à celles d'un noyau atomique, de sorte qu'une cuillère à café de ce matériau pèserait des milliards de tonnes ; cela permet à plus d'une masse solaire de tenir dans un rayon d'environ dix kilomètres seulement.

Pourquoi les pulsars émettent-ils des impulsions si régulièrement ?

Un pulsar émet un rayonnement en faisceaux étroits depuis ses pôles magnétiques, et comme l'étoile à neutrons tourne rapidement et de manière stable, chaque fois qu'un faisceau balaye la Terre, nous enregistrons une impulsion, faisant des pulsars l'une des horloges naturelles les plus précises connues.