L’amas NGC 1851, dans lequel a été découvert l’astre étrange, vu par Hubble. Image: NASA, ESA, and G. Piotto (Università degli Studi di Padova) ; Processing : Gladys Kober (NASA/Catholic University of America)
Dans le no man’s land entre l’étoile à neutrons et le trou noir, un étrange objet céleste fascine les astronomes.
Dans la constellation de la Colombe, au beau milieu d’un amas globulaire nommé NGC 1851, qui compte des centaines de milliers d’étoiles, un petit astre discret a retenu l’attention des scientifiques.
Il faut dire qu’il est intrigant : a priori trop lourd pour être une étoile à neutrons et trop léger pour être un trou noir, il se situe dans un entre-deux encore mal connu et pourrait apporter de précieuses informations sur la physique de ces astres extrêmes.
Mais reprenons depuis le début : lorsqu’une étoile « meurt », elle devient généralement une naine blanche, une sorte de noyau très dense. Si elle est très massive, cependant, elle s’effondre carrément sur elle-même et se transforme en étoile à neutrons, un objet incroyablement compact constitué, comme son nom l’indique, de neutrons – les électrons et les protons des atomes ayant eux aussi fusionné.
Pour des étoiles encore plus gigantesques, c’est un trou noir qui apparaît après l’effondrement. Là, la physique est encore plus étrange ; cet astre infiniment dense n’est plus défini par sa matière (on ignore sa composition), mais par son champ gravitationnel intense, dont rien ne s’échappe.
Jusqu’à récemment, le tableau était plutôt clair : les étoiles à neutrons connues les plus imposantes n’excèdent pas 2,2 à 2,5 fois la masse de notre Soleil. Au-delà de ça, les neutrons s’effondreraient sous leur propre poids et formeraient un trou noir. Sauf que les trous noirs les plus légers dépassent quand même 5 masses solaires. Dans l’intervalle entre les deux, c’est le flou… Les scientifiques parlent d’« écart » de masse (mass gap en anglais), soit un intervalle dans lequel on ne trouverait presque aucun corps céleste.
Mais depuis quelques années, les observations démentent cette perception, et cette dernière découverte enfonce le clou. En fait, les astronomes ont mis le doigt sur un duo d’astres qu’ils ont poétiquement baptisé PSR J0514-4002E. « Nous avons trouvé un système binaire composé de deux objets compacts. L’un d’eux a une masse comprise entre 2,09 et 2,71 masses solaires, ce qui le place dans l’“écart de masse” », détaille l’article publié dans Science, cosigné par une équipe de l’Institut Max Planck de radioastronomie.
Un étonnant binôme
Une antenne du télescope MeerKAT. Photo: CC Wikimedia Commons/Morganoshell
En observant l’amas globulaire NGC 1851 avec le télescope MeerKAT, les scientifiques ont eu la main heureuse. Ce radiotélescope, situé en Afrique du Sud et en fonction depuis 2018, est doté de 64 antennes. Il a d’abord détecté un pulsar milliseconde, c’est-à-dire un type d’étoile à neutrons qui tourne sur elle-même plus de 170 fois par seconde, en émettant un faisceau d’ondes radio extrêmement régulier. Mais dans ce cas, quelque chose brouillait le signal.
En analysant ces perturbations, les astronomes ont conclu que ce « quelque chose » était un objet massif inconnu qui orbitait autour du pulsar : son champ gravitationnel déviait les signaux radio. L’équipe a pu estimer sa masse. Conclusion : l’objet, quel qu’il soit, se situe vraisemblablement dans la zone « vide »… Laquelle n’est peut-être pas si vide que ça. « Ce vide s’explique en partie par une absence d’observations, précise Maya Fishbach, de l’Université de Toronto, qui a écrit un article de commentaire dans Science consacré à cette étude. Soit ces objets sont très rares, et nous ne savons pas pourquoi, soit nous avons du mal à les détecter. »
La liste s’allonge
Depuis quelque temps, toutefois, le nombre d’observations grossit, grâce à une autre approche : la détection des ondes gravitationnelles, ces ondulations de l’espace-temps générées par des événements cosmiques extrêmement puissants.
« Avec les données des détecteurs LIGO et Virgo, nous observons parfois des objets présents dans cet écart de masse, affirme Marie-Anne Bizouard, astrophysicienne à l’Observatoire de la Côte d’Azur, en France, et membre de l’équipe Virgo. Il y en a peu, mais nous arrivons à en trouver. »
En effet, les analyses des ondes gravitationnelles générées par les collisions cosmiques permettent de déterminer les masses des deux objets avant le choc, puis la masse du nouveau corps produit par la fusion des deux objets. En une dizaine d’années, les observations ont permis de peupler doucement la zone vide. « Il y a une abondance d’objets possédant certaines masses, et d’autres sont plus rares, mais il n’y a pas vraiment de trou », constate Marie-Anne Bizouard.
En avril dernier, justement, la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (qui rassemble trois détecteurs d’ondes gravitationnelles) a annoncé avoir enregistré les ondes issues de la collision entre un objet d’environ 1 à 2 masses solaires, probablement une étoile à neutrons, et un autre dont la masse est pile dans l’intervalle improbable : entre 2,5 et 4,5 masses solaires. L’idée d’une zone vide, « qui existe depuis un quart de siècle, est née des observations électromagnétiques [au télescope] », a expliqué l’un des auteurs, Michael Zevin, dans un communiqué. « [Cette] découverte est passionnante, car elle laisse penser que cet “écart de masse” est moins vide que ce que les astronomes pensaient auparavant. »
Identité floue
Alors, ces astres à mi-chemin sont-ils des trous noirs ou des étoiles à neutrons ? Difficile de trancher, car ces mystérieux objets sont particulièrement délicats à observer. Les trous noirs n’émettent pas de lumière, et les étoiles à neutrons sont extrêmement petites, avec un diamètre pas plus grand que celui d’une ville.
Il y a tout de même des hypothèses. L’objet décrit dans Science pourrait être une étoile à neutrons qui tourne extrêmement vite : on sait qu’une rotation rapide permet d’empêcher l’effondrement. L’étoile pourrait donc supporter une masse un peu plus élevée que la masse « classique ». Autre scénario : il s’agirait d’un trou noir issu d’une étoile à neutrons massive, dont la rotation a justement ralenti et qui s’est effondrée sur elle-même.
« Si nous avions pu voir des jets de matière projetés par l’objet, nous aurions pu en savoir plus, précise Annabelle Richard-Laferrière, doctorante en astrophysique à l’Université de Montréal et spécialiste des trous noirs. Comme les trous noirs n’en émettent pas, nous aurions pu déterminer qu’il s’agissait d’une étoile à neutrons. Mais ici, la seule information que nous avons, c’est la masse. »
Troisième hypothèse pour expliquer l’existence de cet objet : la fusion. L’amas globulaire dans lequel il se trouve est « un environnement très dense et assez unique », souligne Maya Fishbach. Les modèles montrent un véritable ballet cosmique dans lequel les étoiles tournent les unes autour des autres avant de changer de partenaire, ce qui provoque parfois des fusions cataclysmiques. « Toutes les combinaisons d’astres sont possibles », poursuit l’astronome. On peut donc imaginer que la fusion de deux étoiles à neutrons de masse « normale » a donné naissance à un astre plus massif.
Suivi rapproché
« C’est extrêmement intéressant, souligne avec enthousiasme Marie-Anne Bizouard. La plupart des objets similaires détectés par des ondes gravitationnelles se situent dans d’autres galaxies que la nôtre. Celui-ci est dans la nôtre, et nous allons pouvoir le suivre. »
En effet, le duo PSR J0514-4002E va pouvoir être examiné sous toutes les coutures, contrairement aux phénomènes détectés par LIGO et Virgo, ceux-ci ne « voyant » les objets qu’une seule fois, lorsque la collision violente plisse le cosmos. Impossible d’y revenir par la suite ! « Un astre comme celui-ci, c’est rare, ajoute Marie-Anne Bizouard. Il va faire l’objet d’années d’observation par des radiotélescopes de plus en plus performants. » On s’attend notamment à ce que le SKA (Square Kilometre Array), en cours de construction sur deux sites, en Afrique du Sud et en Australie, pointe ses antennes vers cette curiosité. Développé par un consortium international incluant le Canada, ce radiotélescope ultrasensible doit prendre le relais de MeerKAT à partir de 2027, au plus tôt.
Chose certaine, les scientifiques ont tout intérêt à combler cet « écart de masse », en dénichant davantage d’objets situés au point de bascule entre étoiles à neutrons et trous noirs. Ils pourraient remettre en question les modèles actuels qui décrivent ce qui se produit pour les étoiles en fin de vie. « Ce sont des environnements où il existe des phénomènes physiques impossibles à recréer sur Terre, ajoute Annabelle Richard-Laferrière. Des conditions de pression extraordinaires, avec une haute température, un champ gravitationnel intense… » Par leur simple existence, ces objets incongrus sont autant de fenêtres ouvertes sur la physique des extrêmes.
Aux limites du savoir
Il n’y a pas de consensus sur la masse maximale d’une étoile à neutrons, indique Thankful Cromartie, astronome à l’Université Cornell. En 2019, elle a découvert avec ses collègues l’étoile à neutrons la plus massive connue à l’époque – l’équivalent de 2,17 masses solaires condensées dans une boule de 30 km de diamètre. « Une partie du problème, c’est qu’on ne connaît pas les mécanismes de physique nucléaire en jeu au cœur de ces noyaux extrêmement denses, dit-elle. Or, c’est l’état de la matière qui dicte la masse maximale que peut atteindre une étoile à neutrons avant de se transformer en trou noir. » Un « morceau » d’étoile à neutrons gros comme un dé pèserait 100 millions de tonnes. Les scientifiques soupçonnent que les neutrons ainsi compressés pourraient former un nouvel état de la matière – un plasma de quarks et de gluons, par exemple – ou même se réorganiser en particules exotiques appelées hypérons. Voilà qui défie l’imagination et la connaissance. — Marine Corniou
