Figure 1 :Instantanés 3D des lignes de champ magnétique dans la zone convective à l'intérieur d'une étoile à neutrons nouveau-née. Les flux entrants (sortants) sont représentés par les surfaces bleues (rouges). A gauche :fort champ dynamo découvert pour des périodes de rotation rapide de quelques millisecondes, où la composante dipolaire atteint 1015 G. A droite :pour une rotation plus lente, le champ magnétique est jusqu'à dix fois plus faible. Crédit :CEA Sacley
Les magnétars sont des étoiles à neutrons dotées des champs magnétiques les plus puissants observés dans l'univers, mais leur origine reste controversée. Dans une étude publiée dans Avancées scientifiques , une équipe de scientifiques du CEA, Saclay, l'Institut Max Planck d'Astrophysique (MPA), et l'Institut de Physique du Globe de Paris a développé un nouveau modèle informatique d'une précision sans précédent qui peut expliquer la genèse de ces champs gigantesques par l'amplification de champs faibles préexistants lorsque des étoiles à neutrons en rotation rapide naissent dans des étoiles massives qui s'effondrent. L'ouvrage ouvre de nouvelles voies pour comprendre les explosions les plus puissantes et les plus lumineuses de telles étoiles.
Magnétars :qu'est-ce que c'est ?
Les étoiles à neutrons sont des objets compacts contenant une à deux masses solaires dans un rayon d'environ 12 kilomètres. Parmi eux, Les magnétars sont caractérisés par une émission éruptive de rayons X et de rayons gamma. L'énergie associée à ces sursauts de rayonnement intense est probablement liée à des champs magnétiques ultra-forts. Les magnétars devraient ainsi tourner plus vite que les autres étoiles à neutrons en raison d'un freinage magnétique amélioré, et les mesures de l'évolution de leur période de rotation ont confirmé ce scénario. On en déduit donc que les magnétars ont un champ magnétique dipolaire de l'ordre de 10 15 Gauss (G), c'est à dire., jusqu'à 1000 fois plus fort que les étoiles à neutrons typiques ! Alors que l'existence de ces énormes champs magnétiques est maintenant bien établie, leur origine reste controversée.
Comment se forment-ils ?
Les étoiles à neutrons se forment généralement après l'effondrement du noyau de fer d'une étoile massive de plus de neuf masses solaires, tandis que les couches externes de l'étoile sont expulsées dans l'espace interstellaire dans une gigantesque explosion appelée supernova à effondrement du cœur. Certaines théories supposent donc que les champs magnétiques des étoiles à neutrons et magnétars pourraient être hérités de leurs étoiles progénitrices, ce qui signifie que les champs pourraient être entièrement déterminés par l'aimantation du noyau de fer avant l'effondrement. Le problème avec cette hypothèse est, cependant, que des champs magnétiques très puissants dans les étoiles pourraient ralentir la rotation du noyau stellaire de sorte que les étoiles à neutrons provenant de ces étoiles magnétisées ne tourneraient que lentement.
"Cela ne nous permettrait pas d'expliquer les énormes énergies des explosions d'hypernova et des sursauts gamma de longue durée, où les étoiles à neutrons en rotation rapide ou les trous noirs en rotation rapide sont considérés comme les sources centrales des énormes énergies, " remarque H.-Thomas Janka, membre de l'équipe de MPA. un mécanisme alternatif apparaît plus favorable, dans lequel les champs magnétiques extrêmes pourraient être générés lors de la formation de l'étoile à neutrons elle-même.
Figure 2 :Intensité de la composante dipolaire du champ magnétique en fonction de la période de rotation. La ligne pointillée verticale correspond à la période de rotation où les forces centrifuges perturberaient l'étoile à neutrons naissante. Les points bleus marquent l'amplification ordinaire des champs magnétiques lorsque l'étoile à neutrons tourne lentement. Les points rouges correspondent à la forte branche dynamo apparaissant pour les vitesses de rotation les plus rapides. Les propriétés du champ magnétique généré sur cette branche sont compatibles avec les propriétés des magnétars galactiques et les conditions pour alimenter les explosions stellaires les plus extrêmes. Crédit :CEA Sacley
Dans les premières secondes suivant l'effondrement du noyau stellaire, l'étoile à neutrons chaude nouveau-née se refroidit en émettant des neutrinos. Ce refroidissement déclenche de forts débits massiques convectifs internes, semblable au bouillonnement de l'eau bouillante dans une casserole sur une cuisinière. De tels mouvements violents de la matière stellaire pourraient conduire à l'amélioration de tout champ magnétique faible préexistant. Connu sous le nom d'effet dynamo, ce mécanisme d'amplification de champ est à l'œuvre, par exemple, dans le noyau de fer liquide de la Terre ou dans l'enveloppe convective du Soleil.
Pour tester une telle possibilité pour les étoiles à neutrons, l'équipe de chercheurs a utilisé un supercalculateur du Centre national de calcul de l'enseignement supérieur pour simuler la convection chez un nouveau-né, étoile à neutrons très chaude et en rotation rapide. En effet, ils ont trouvé par cette nouvelle approche de modélisation, qui était plus détaillé que tout autre traitement utilisé auparavant, que les faibles champs magnétiques initiaux peuvent être amplifiés jusqu'à des valeurs atteignant 10 16 G pour des périodes de rotation suffisamment rapides (voir Fig. 1).
"Nos modèles démontrent que des périodes de rotation inférieures à environ 8 millisecondes permettent un processus dynamo plus efficace qu'une rotation plus lente, " précise Raphaël Raynaud du CEA, Saclay, l'auteur principal de la publication. "Les modèles à rotation plus lente n'affichent pas les énormes champs créés par cette puissante dynamo."
Les plus grosses bombes cosmiques ?
En plus de faire la lumière sur la formation du magnétar galactique, ces résultats ouvrent de nouvelles voies pour comprendre les explosions les plus puissantes et les plus lumineuses des étoiles massives. Par exemple, les supernovae superlumineuses émettent cent fois plus de lumière que les supernovae habituelles, pendant que les autres, appelé hypernovae, se caractérisent par une énergie cinétique supérieure d'un facteur dix et parfois associée à un sursaut gamma durant plusieurs dizaines de secondes. Ces explosions exceptionnelles nous contraignent à imaginer des procédés non standards qui doivent extraire d'énormes quantités d'énergie d'un « moteur central ».
Le scénario « magnétar milliseconde » est actuellement l'un des modèles les plus prometteurs pour le moteur central de ces événements extrêmes. Il considère l'énergie de rotation d'une étoile à neutrons à rotation rapide comme le réservoir d'énergie supplémentaire qui augmente la puissance de l'explosion. En exerçant un couple de freinage, un fort champ magnétique dipolaire de 10 15 G can transfer the neutron star's rotational energy to the explosion. "For this mechanism to be efficient, the field strength must be of the order of 10 15 G, " explains coauthor Jérôme Guilet of CEA, Saclay. "This closely matches the values reached by convective dynamos for millisecond rotation periods" (see Fig. 2).
Jusqu'à maintenant, the main weakness of the millisecond magnetar scenario was to assume an ad hoc magnetic field, independent of the fast rotation rate of the neutron star. The results obtained by the research team thus provide theoretical support that was missing to this central engine scenario powering the strongest explosions observed in the universe.
