Le pulsar massif dans le système binaire PSR J2215+5135, illustré sur la figure, réchauffe la face interne de son étoile compagne. Crédit :G. Pérez-Díaz/IAC
En utilisant une méthode pionnière, des chercheurs du groupe d'astronomie et d'astrophysique de l'UPC et de l'Institut d'astrophysique des îles Canaries (IAC) ont trouvé une étoile à neutrons d'environ 2,3 masses solaires, l'une des plus massives jamais détectées. L'étude a été publiée le 23 mai dans le Journal d'astrophysique et ouvre une nouvelle voie de connaissance dans de nombreux domaines de l'astrophysique et de la physique nucléaire.
Les étoiles à neutrons (souvent appelées pulsars) sont des restes stellaires qui ont atteint la fin de leur vie évolutive :elles résultent de la mort d'une étoile de 10 à 30 masses solaires. Malgré leur petite taille (environ 20 kilomètres de diamètre), les étoiles à neutrons ont plus de masse que le soleil, ils sont donc extrêmement denses.
Des chercheurs de l'Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) et de l'Institut d'astrophysique des îles Canaries (IAC) ont utilisé une méthode innovante pour mesurer la masse de l'une des étoiles à neutrons les plus lourdes connues à ce jour. Découvert en 2011 et appelé PSR J2215+5135, avec environ 2,3 masses solaires, c'est l'une des plus massives des plus de 2, 000 étoiles à neutrons connues à ce jour. Bien qu'une étude publiée en 2011 ait rapporté des preuves d'une étoile à neutrons de 2,4 masses solaires, les étoiles à neutrons les plus massives qui faisaient auparavant consensus parmi les scientifiques, déclarés en 2010 et 2013, avoir 2 masses solaires.
L'étude a été dirigée par Manuel Linares, Chercheuse Marie-Curie du Groupe d'Astronomie et d'Astrophysique (GAA), rattaché au Département de Physique de l'UPC, en collaboration avec les astronomes Tariq Shahbaz et Jorge Casares de l'IAC. Les chercheurs ont utilisé les données obtenues du Gran Telescopio Canarias (GTC), le plus grand télescope optique et infrarouge au monde, le télescope William Herschel (WHT), le Isaac Newton Telescope Group (ING) et le télescope IAC-80, en combinaison avec des modèles dynamiques d'étoiles binaires avec irradiation. Un article rendant compte des résultats de l'étude, intitulé « Peering into the dark side :les raies de magnésium établissent une étoile à neutrons massive dans le PSR J2215+5135 », a été publié dans le Journal d'astrophysique .
En utilisant une méthode pionnière, l'équipe a mesuré la vitesse des deux côtés du compagnon. Crédit :G. Pérez-Díaz/IAC, R. Hynes
Une méthode de mesure pionnière
L'équipe a développé une méthode plus précise que celles utilisées à ce jour pour mesurer la masse des étoiles à neutrons dans des binaires compacts. PSR J2215+5135 fait partie d'un système binaire, dans laquelle deux étoiles orbitent autour d'un centre de masse commun :une étoile « normale » (comme le soleil) « accompagne » l'étoile à neutrons. L'étoile secondaire ou compagne est fortement irradiée par l'étoile à neutrons.
Plus l'étoile à neutrons est massive, plus l'étoile compagne se déplace rapidement sur son orbite. La nouvelle méthode utilise des raies spectrales d'hydrogène et de magnésium pour mesurer la vitesse à laquelle l'étoile compagne se déplace. Cela a permis à l'équipe dirigée par Manuel Linares de mesurer pour la première fois la vitesse des deux côtés de l'étoile compagnon (le côté irradié et le côté ombré), et montrer qu'une étoile à neutrons peut avoir plus de deux fois la masse du soleil.
Cette nouvelle méthode peut également être appliquée au reste de cette population croissante d'étoiles à neutrons :au cours des 10 dernières années, le télescope à rayons gamma Fermi-LAT de la NASA a révélé des dizaines de pulsars similaires au PSR J2215+5135. En principe, la méthode peut également être utilisée pour mesurer la masse des trous noirs et des naines blanches (restes d'étoiles qui meurent avec plus de 30 ou moins de 10 masses solaires, respectivement) lorsqu'ils se trouvent dans des systèmes binaires similaires dans lesquels l'irradiation est importante.
Plus dense qu'un noyau atomique
Pouvoir déterminer la masse maximale d'une étoile à neutrons a des conséquences très importantes pour de nombreux domaines de l'astrophysique, ainsi que pour la physique nucléaire. Les interactions entre nucléons (les neutrons et les protons qui composent le noyau d'un atome) à haute densité sont l'un des grands mystères de la physique d'aujourd'hui. Les étoiles à neutrons sont un laboratoire naturel pour étudier les états de la matière les plus denses et les plus exotiques qu'on puisse imaginer.
Les résultats du projet suggèrent également que pour supporter le poids de 2,3 masses solaires, la répulsion entre les particules du noyau de l'étoile à neutrons doit être suffisamment forte. Cela indiquerait qu'il est peu probable que nous trouvions des quarks libres ou d'autres formes exotiques de matière au centre de l'étoile à neutrons.
