Les étoiles magnétiques

Une définition

Cet article sur les étoiles magnétiques justifie sa présence sur cosmoquant.fr par le fait qu’il démontre le lien naturel entre les connaissances issues de deux disciplines distinctes : l’astronomie, d’une part ; la physique des particules fondamentales de l’autre. 

 En l’état actuel des connaissances, une étoile magnétique (un magnétar) est un pulsar. Ce mot désigne présumablement une étoile à neutrons en rotation dont le champ magnétique est particulièrement puissant.

Brève histoire et description succincte des étoiles magnétiques

Les pulsars ont été repérés en 1979 à cause des pulsions de rayons gamma qu’ils envoient régulièrement.

La théorie expliquant la formation d’étoiles à neutrons fortement magnétisées parait en 1992 [01]. Elle est due à Robert. C. Duncan et Christopher Thompson.

Les mêmes auteurs proposent en 1995 d’identifier certaines étoiles neutres fortement magnétisées avec les pulsars émettant des rayons gamma à répétition. Ils joignent à l’appui de leur proposition un mécanisme expliquant la radiation gamma [02].

Dans le cadre de la théorie de la gravitation communément acceptée, une étoile à neutrons est le résultat de l’implosion d’une étoile classique dont la masse vaut entre 1,4 à 3 fois la masse de notre Soleil. Typiquement, son rayon est compris entre 10 et 15 kilomètres tandis que son champ magnétique a une intensité pouvant atteindre cent millions de Teslas. Par ailleurs, l’effondrement gravitationnel s’accompagne d’une mise en rotation dont la période est de l’ordre de la milliseconde.

Comment les étoiles magnétiques se forment-elles ?

Les premières connaissances font naître une série de questions :

A partir de quand, un pulsar devient-il un magnétar ?

Autrement dit : quel est(sont) le(s) critère(s) distinguant le premier du second ?

Ce(s) critère(s) existe(nt)-t-il(s) ?

La distinction dépend-elle uniquement de l’intensité du champ magnétique et d’une échelle arbitraire ?

L’implosion d’une étoile est-elle le seul mécanisme expliquant la naissance d’un pulsar ?

Le magnétar n’est-il pas plus exactement le résultat de la fusion de deux étoiles ?

Les interactions permanentes entre la théorie et l'expérience

Les progrès techniques réalisés au cours du siècle écoulé permettent aujourd’hui de mettre des instruments d’observation sophistiqués à disposition des astronomes. Ils peuvent désormais étudier les étoiles et les galaxies lointaines.

Un regard sur l’histoire des sciences fait apparaître plusieurs types d’interaction entre l’arsenal des théories et l’ensemble des expérimentations. Les recherches sur les étoiles magnétiques illustrent parfaitement ces allers et retours indispensables.

Parfois, certaines étoiles rentrent en collision ; c’est maintenant un fait expérimental. Parmi les questions résiduelles sur les pulsars, il y a celle concernant la fusion des étoiles. Certaines observations et l’intuition font suspecter un lien entre fusion et magnétar. Mais comment le démontrer ?

La fusion des étoiles : l'éclairage de l'informatique

Paraboles alpines

Heureusement, en plus des télescopes, des radiotélescopes (image ci-dessus) et des caméras embarquées sur les satellites artificiels, il y a l’informatique. Et, oh joie, des simulations informatiques indiquent que la fusion de deux étoiles est possible. Elle peut même donner naissance à un puissant champ magnétique [03] ; si puissant qu’il en devient acceptable de parler d’étoile magnétique.

Retour sur la théorie

Vous avez dit étoile magnétique ? (nota : Les anglosaxons parlent de magne(t-s)tar). Les signaux d’alarme dont les théoriciens sont naturellement dotés s’allument.

Pourquoi ? Tout simplement parce que la notion de monopole magnétique appartient toujours et encore au monde des hypothèses théoriques de la physique quantique. Paul Dirac en a démontré l’existence possible en 1931 [04] ; voir aussi [05 ; § 1.9.1].

Ainsi, poser la question de savoir si les étoiles magnétiques existent vraiment est a priori légitime. Le doute cartésien impose de scruter aussi l’unicité du scénario suggéré par les simulations informatiques citées plus haut.

D’autant plus que le scénario que semblent valider les simulations informatiques ne permet par exemple pas d’expliquer le faible champ magnétique du couple SGR 0418+5729.

Dans le même état d’esprit critique qu’exige la recherche scientifique, la question de la durée des émissions gamma doit être évoquée, [06], [07].

Enfin, certaines équipes envisagent un modèle alternatif impliquant des étoiles composées de quarks.

Un lien avec la reconnexion magnétique ?

La dynamique des champs magnétiques n’a rien de simple. Elle mobilise en particulier la recherche autour du très vieux problème de la reconnexion magnétique [08], [09]. Certains pensent en effet qu’elle explique la naissance des ondes radio surpuissantes.

En résumé

Les collisions d’étoiles ne sont pas rares. Les simulations informatiques peuvent désormais les reproduire. Elles suggèrent que la rencontre de deux étoiles donne en principe naissance à un champ magnétique surpuissant. Ce résultat théorique ressemble assez bien à ce qu’on observe ; par exemple au niveau de Tau Scorpii. Un scénario normalisé prend donc lentement forme. Il se laisse schématiser comme suit :

Deux étoiles similaires à notre Soleil

Fusion

Supernova

Implosion + rotation

étoile à neutrons + champ magnétique surpuissant = magnétar

Pour autant, ce scénario ne fait pas encore l’unanimité et les recherches se poursuivent méthodiquement.

© Thierry PERIAT, le 13 janvier 2024.

Bibliographie indicative

[01] Robert C. Duncan, Christopher Thompson: Formation of strongly magnetized neutron stars, implications for gamma-ray-bursts. Astrophysical Journal Letters. Band 392, 1992, L9-L13.

[02] Robert C. Duncan, Christopher Thompson: The soft gamma repeaters as very strongly magnetized neutron stars – I. Radiative mechanism for outbursts. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Monthly Notices Royal Astron. Soc.) Band 275, Nr. 2, Juni1995, S. 255–300.

[03] Was Magnetare magnetisch macht, Max Planck Gesellschaf, https://www.mpg.de/13959658/was-magnetare-magnetisch-macht, 9 Oktober 2019.

[04] Contributeurs de Wikipédia, « Monopôle magnétique », Wikipédia, l’encyclopédie libre, https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Monop%C3%B4le_magn%C3%A9tique&oldid=208353751 (Page consultée le 1 octobre 2023).

[05] Nakahara, M.: Geometry, topology, and physics, second edition, graduate students’ series in physics, © IOP Publishing Ltd, 2003, 583 pages.

[06] CHIME/FRB Collaboration, A bright millisecond duration radio-burst from a Galactic magnetar, Nature, 587, p. 54, 4 November 2020.

[07] A fast radio burst associated with a galactic magnetar, Nature, 587, 59-62(2020), 4 November 2020.

[08] Magnetic reconnection at three dimensional null points: E.R. Priest and V.S. Titov; Phil. trans. R. Soc. Lond. A (1996) 354, 2951-2992 © 1996 The Royal Society ; en anglais.

[09] Contributeurs de Wikipédia, « Reconnexion magnétique », Wikipédia, l’encyclopédie libre, https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Reconnexion_magn%C3%A9tique&oldid=210675359 (Page consultée le 18 décembre 2023).