Une nouvelle théorie pour la formation des magnétars

Publié par Redbran le 17/03/2020 à 14:00
Source: CEA IRFU

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[i]Les champs magnétiques les plus intenses de l'Univers reproduits par des simulations numériques

Les magnétars sont des étoiles à neutrons qui arborent les plus forts champs magnétiques connus dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) et dont l'origine reste controversée. Dans une étude publiée dans la revue Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au...) Advances, une équipe franco-allemande conduite par Raphaël Raynaud du Département d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...) du CEA-IRFU / Laboratoire AIM vient de réaliser les premières simulations numériques qui décrivent la genèse de ces champs magnétiques au cours des premières secondes suivant la formation d'un magnétar (Un magnétar est une étoile à neutrons disposant d'un champ magnétique hyper-puissant, qui émet des radiations électromagnétiques de haute énergie, comme les rayons X et...). Ces calculs montrent que les mouvements convectifs qui se développent au sein d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la...) à neutrons en formation peuvent amplifier le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et...), et ce d'autant plus efficacement que celle-ci tourne rapidement sur elle-même. Ces résultats suggèrent que les magnétars naissent des étoiles massives en rotation rapide. Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour comprendre les supernovas les plus extrêmes ainsi que les propriétés de certains sursauts gamma.

Qu'est-ce qu'un magnétar ?

Les étoiles à neutrons sont des astres extrêmement denses, regroupant une à deux fois la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...) du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) dans un rayon d'une douzaine de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.). Parmi elles, les magnétars se distinguent par des émissions transitoires de rayons X et gamma. Le réservoir d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) associé à ces bouffées de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) intense est probablement relié à la dissipation de champs magnétiques anormalement élevés. La mesure du ralentissement (Le signal de ralentissement (de type SNCF) annonce une aiguille (ou plusieurs) en position déviée qui ne peut être franchie à la vitesse normale de la...) de leur période de rotation (La période de rotation désigne la durée mise par un astre (étoile, planète, astéroïde) pour faire un tour sur lui même. Par exemple, la Terre a une période de rotation d'environ 24 heures.)induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par un effet de freinage magnétique – confirme ce scénario. On estime ainsi que les magnétars ont un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique dipolaire de l'ordre de 10^15 Gauss (G), jusqu'à 1000 fois plus fort que le champ magnétique typique des étoiles à neutrons. Si l'existence de ces champs magnétiques extrêmes est aujourd'hui bien établie, leur origine reste sujette à controverse.

Comment se forme-t-il ?

Pour comprendre la tension (La tension est une force d'extension.) entre les différents scénarios de formation des magnétars, il faut rappeler qu'une étoile à neutrons constitue un résidu résultant de l'effondrement du cœur de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant...) d'une étoile de plus de neuf masses solaires, tandis que ses couches plus externes sont expulsées dans le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement ténu, avec des densités...) lors d'une gigantesque explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus...) appelée supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de sa luminosité. Vue depuis la Terre, une supernova...) gravitationnelle. Certaines théories supposent donc que le champ magnétique des étoiles à neutrons est entièrement déterminé par la magnétisation du cœur de fer du progéniteur. Toutefois, de tels champs magnétiques fossiles devraient ralentir la rotation des cœurs stellaires. Il est alors difficile d'expliquer par ce scénario les énergies très élevées des explosions d'hypernovas et des sursauts gamma longs, dont la source est probablement constituée d'une étoile à neutrons (ou un trou noir) en rotation rapide. Par conséquent, un mécanisme alternatif semble plus favorable, dans lequel les champs magnétiques extrêmes pourraient être engendrés au moment même de la formation de l'étoile à neutrons.

En effet, au cours des premières secondes qui suivent l'effondrement du cœur, l'étoile à neutrons nouvellement formée se refroidit par l'émission intense de neutrinos. Ce refroidissement engendre des mouvements convectifs internes qui pourraient conduire à l'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe plusieurs définitions...) d'un champ magnétique. Connu sous le nom d'effet dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été inventée en...), ce mécanisme d'instabilité est par exemple à l'œuvre dans le noyau de fer liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...) ou dans l'enveloppe convective du Soleil. Pour tester cette seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité...) hypothèse, les chercheurs ont simulé pour la première fois la convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en mouvement spontanément :...) au sein d'une jeune étoile à neutrons en adaptant des méthodes numériques développées pour comprendre le champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe – composé essentiellement de fer et de nickel en fusion conducteurs – qui se comporte comme une gigantesque dynamo.). Les calculs réalisés sur le supercalculateur Occigen du Centre Informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le...) National de l'Enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les...) Supérieur (CINES) ont mis en évidence l'amplification du champ magnétique jusqu'à des valeurs atteignant 10^16 G pour des astres en rotation rapide (cf. Fig. 1).


Figure 1 - Représentation 3D des lignes de champ magnétique dans la zone convective à l'intérieur de l'étoile à neutrons. Les mouvements convectifs sont représentés par les surfaces bleues (correspondant à des mouvements vers l'intérieur) et rouge (vers l'extérieur). À gauche: Le nouveau type de dynamo qui apparaît pour des rotations rapides (périodes de quelques millisecondes) et dont le champ magnétique dipolaire atteint 10^15 G. À droite: Pour des rotations plus lentes, le champ magnétique a une intensité jusqu'à dix fois plus faible.

Le moteur central des plus fortes explosions ?

En plus d'apporter une explication au champ magnétique de la trentaine de magnétars détectés dans notre Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son...), ces résultats apportent une brique supplémentaire pour comprendre les explosions stellaires les plus extrêmes observées dans l'Univers. Par exemple, les supernovas superlumineuses émettent cent fois plus de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) qu'une supernova usuelle, tandis qu'une autre famille, appelée hypernova, se distingue par son énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail...) dix fois plus élevée et son association avec l'émission d'un flash de rayons gamma d'une durée de quelques dizaines de secondes. Ces explosions demandent d'imaginer des processus non standards mettant en jeu une énergie phénoménale. Le scénario du "magnétar milliseconde" est aujourd'hui l'un des plus prometteurs. En utilisant un champ magnétique dipolaire comme une courroie de transmission, ce scénario considère que l'énergie rotationnelle d'une étoile à neutrons peut être transmise à l'explosion et accroître ainsi sa puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :). Les résultats publiés démontrent que les valeurs de champ magnétique nécessaires (10^15 G) sont précisément atteintes par une dynamo convective pour des périodes de rotations de l'ordre de la milliseconde (cf. Fig. 2).


Figure 2 - Intensité de la composante dipolaire du champ magnétique dans une série de simulations avec différentes périodes de rotation de l'étoile à neutrons. Les traits pointillés verticaux correspondent à la période de rotation maximale en deçà de laquelle l'étoile se disloquerait sous l'effet de la force centrifuge. Les points de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) rouge sont sur une branche de dynamo forte apparaissant pour les rotations les plus rapides, alors que les points bleus correspondent à des rotations plus lentes. Pour des rotations rapides, les propriétés du champ magnétiques sont compatibles avec les propriétés des magnétars observés dans la Galaxie et les conditions requises pour qu'un magnétar puisse alimenter les explosions les plus extrêmes.

Or jusqu'à présent, la faiblesse principale du scénario du magnétar milliseconde était de supposer l'existence d'un champ magnétique ad hoc, indépendamment de la rotation de l'étoile à neutrons. Les résultats obtenus apportent donc une justification théorique qui faisait défaut à ce modèle de "moteur central" responsable des plus fortes explosions d'étoile connues à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...).

Références

Contact CEA: Raphaël Raynaud et Jérôme Guilet

Publications: Raphaël Raynaud, Jérôme Guilet, Hans-Thomas Janka, Thomas Gastine. "Magnetar formation through a convective dynamo in protoneutron stars." Science Advances, 13 mars 2020

Voir également: Le communiqué de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) Max-Planck (en anglais)

Voir: Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la...) du Service d'Astrophysique
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