Des étoiles à neutrons trop froides pour leur jeune âge

Une étoile à neutrons est la relique de l'explosion d'une étoile massive en fin de vie. Si cette relique dépasse une certaine masse, elle se transforme en trou noir. En deçà, elle devient une étoile à neutrons, comme PSR J0205+6449, de son nom complet.

Un objet d'une densité phénoménale, avec l'équivalent d'1,4 Soleil comprimé dans une sphère d'un diamètre de 20 à 30 km. Et une rotation de quinze tours par secondes générant un puissant champ magnétique, accompagné d'émission de rayons X.

Cette toupie cosmique détient des "informations uniques sur les propriétés et le comportement de la matière dans des conditions extrêmes de densité et de champs magnétiques", rappelle l'étude publiée jeudi dans Nature Astronomy.

Des conditions qu'on ne peut répliquer en laboratoire, et pour lesquelles les physiciens ont établi des modèles, appelés équations d'état. Elles permettent de décrire les processus à l'oeuvre au coeur de ces astres, dans des états où les noyaux des atomes se disloquent, et leurs composants se comportent de façon étrange.

En épluchant le catalogue des deux télescopes spatiaux XMM-Newton et Chandra, dédiés à la détection des étoiles à neutrons, l'équipe d'astronomes espagnols en a identifié trois qui sortent du lot.

"Sur le papier, leur température est très élevée, mais inhabituellement froide pour leur jeune âge", résume pour l'AFP le Dr Alessio Marino, co-auteur de l'étude et membre de l'Institut des sciences spatiales de Barcelone. Et pas qu'un peu, puisque qu'elle est au moins deux fois moins élevée que celle d'étoiles à neutron du même âge.
500 milliards de degrés
Typiquement, l'astre voit le jour "à une température d'environ 500 milliards de degrés, et au bout de quelques minutes seulement, il passe sous les 10 milliards de degrés", explique à l'AFP Micaela Oertel, directrice de recherche CNRS à l'observatoire de Strasbourg et spécialiste de ces objets compacts. Cette température va ensuite fortement décroître avec l'âge, après un million d'années.

Dans le cas présent, les astronomes ont calculé des courbes de refroidissement selon l'âge, et permettant la comparaison avec des étoiles à neutrons. Ils ont déterminé cet âge avec l'observation du nuage résiduel de l'explosion originelle qui a vu naître les étoiles.

D'après leurs calculs la plus jeune, J0205, a donc 841 ans. Une datation confirmée par des récits historiques d'observateurs du ciel au Moyen Age.

Les deux autres ont 7.700 ans et entre 2.500 et 5.000 ans, avec des températures de respectivement 1,9 et 4,6 millions de degrés. Au moins deux fois inférieures à celles d'étoiles à neutrons contemporaines.

Or, "le refroidissement de l'étoile est quelque chose qui est vraiment sensible à sa composition intérieure", et notamment sa proportion de neutrons par rapport aux protons, selon Micaela Oertel, qui n'a pas participé à l'étude.

La chercheuse salue ainsi un travail "extrêmement intéressant", car il restreint le nombre de modèles applicables à des étoiles d'une certaine masse.

En l'occurrence l'étude conclut que pour les étoiles à neutrons considérées, ces modèles doivent inclure un mécanisme de refroidissement rapide, qui est lié à la composition de l'étoile.

L'intérêt de ces travaux touche à la physique fondamentale, pour aider à comprendre notamment l'interaction forte, une des forces fondamentales régissant la matière dans l'infiniment petit. Mais aussi l'astrophysique, donc l'infiniment grand.

Puisque, comme l'explique Mme Oertel, "on sait maintenant que la fusion des étoiles à neutrons est la source principale des éléments lourds sur Terre", comme l'or ou le platine.