DE L'ASTRONOMIE : pulsars et quasars

image de quasar (représentation d'artiste)

     Lorsqu’on lève les yeux vers le ciel, par une belle nuit sans lune et sans nuages (et pour peu que l’on se soit un peu éloigné de la pollution lumineuse des grandes villes), on découvre le spectacle merveilleux de millions d’étoiles (en réalité tout au plus quelques milliers si on a une bonne vue) qui scintillent de partout tels de lointains mais éternels joyaux inaccessibles.

     On a alors l’impression que l’Univers est immense, presque infini. Pourtant, le spectateur n’admire là que la proche banlieue du système solaire, les quelques milliers d’étoiles qui nous sont les plus proches et donc, visuellement parlant, les plus abordables. Au-delà, il y a le reste de notre galaxie, la Voie lactée et, encore plus loin, les galaxies proches de la nôtre, celles qui composent ce que les astronomes appellent le « groupe local ». Les outils astronomiques étant devenus de plus en plus performants, l’Univers encore plus éloigné nous est à présent perceptible : on parle alors d’astronomie extragalactique, terme auquel on adjoint le qualificatif de « lointaine » pour signifier qu’on observe là les objets les plus lointains visibles par nos télescopes. Parmi ces objets, ce sont les plus brillants qui sont évidemment discernables et certains d’entre eux gardent encore une partie de leur mystère ; les principaux comprennent les supernovas, les pulsars, les quasars et les trous noirs. J’ai déjà eu l’occasion d’aborder les trous noirs (voir sujet trous noirs) et les supernovas (voir sujets mort d'une étoile et novas et supernovas). Je n’ai que brièvement cité les deux autres, pulsars et quasars, et, à la demande de certains lecteurs, je vais aujourd’hui essayer d’en dire un peu plus sur eux.

 
     Au préalable, toutefois, je voudrais revenir sur un point fondamental : l’Univers ne se réduit pas à la simple accumulation d’objets distribués un peu au hasard ; il est structuré et soumis à des lois physiques qui, comme l’a fort bien démontré Einstein dans son explication de la Relativité générale (voir sujet théorie de la Relativité générale), sont partout les mêmes, que l’on se trouve sur Terre ou à l’autre bout de l’Univers. C’est cela qui fait que cet Univers, notre Univers, est intelligible et, à ce titre, passionnant à observer. La discipline s’intéressant à ces mondes lointains et à leurs diverses interactions est la cosmologie scientifique qui s’efforce de comprendre cette organisation immense. Pour déchiffrer l’agencement global de l’Univers, il est donc primordial d’interpréter ce qui se passe dans les objets les plus éloignés, des astres ou des structures situés à des distances que le cerveau humain est incapable d’appréhender véritablement.

 Les pulsars

     Ce sont d’étranges objets dont le premier fut découvert en 1967 à l’observatoire de Cambridge, en Grande-Bretagne. A vrai dire – et comme presque toujours en astronomie – les scientifiques anglais cherchaient autre chose : ils étudiaient les quasars, autres objets mystérieux sur lesquels nous reviendrons dans la seconde partie de ce sujet. A l’aide d’un radiotélescope, ces astronomes mirent en évidence un signal intermittent régulier se répétant après quelques secondes. Il n’en fallait pas plus pour que l’on pense immédiatement à une intelligence extra-terrestre cherchant à communiquer par une balise émettant des signaux artificiels tant le phénomène était constant (une origine terrestre avait été bien sûr formellement exclue). Les découvreurs du phénomène (HEWISH et BELL) allèrent jusqu’à baptiser l’objet responsable LGM-1, LGM signifiant Little Green Men (petits hommes verts) mais il fallut bientôt se rendre à l’évidence : le phénomène était naturel ; pour la première fois, on venait de découvrir les traces d’une étoile à neutrons en rotation rapide.

 
          * Les étoiles à neutrons

 
     Ce type d’objet résulte de l’évolution ultime d’une supernova, c'est-à-dire de l’explosion d’une étoile dont la masse est au moins égale à 8 fois celle du soleil. Le cœur de l’étoile se retrouve alors sous la forme d’un résidu extrêmement dense (la masse du Soleil dans une sphère de 10 km de rayon !) qui peut se mettre à tourner sur lui-même tandis que ses structures superficielles sont éjectées dans l’espace formant des nébuleuses filamentaires s’étendant sur des dizaines d’années-lumière. Le cœur survivant de l’étoile morte est si dense, sa matière si écrasée, que les atomes ne peuvent plus assurer leur structure habituelle : ils s’interpénètrent. Leurs électrons se combinent avec les protons des noyaux atomiques pour former de nouveaux neutrons qui viennent s’ajouter à ceux déjà existant naturellement. Il ne reste finalement plus que des neutrons d’où l’appellation de l’étoile.

 
     Mais ce qui nous intéresse ici, c’est le champ magnétique du résidu d’étoile que l’on perçoit dans le rayonnement qui nous parvient. Toutefois, ce champ magnétique (ou plutôt son axe) n’est pas forcément aligné avec l’axe de rotation de l’étoile. De ce fait, on perçoit un faisceau qui, en raison de cette rotation, balaie l’espace de manière intermittente et, la rotation étant très régulière, ce faisceau nous parvient à intervalle parfaitement constant, donnant l’impression d’un phénomène artificiel. On comprend donc aisément pourquoi on a appelé ce type d’objets des pulsars… qui ressemblent (toute proportion gardée puisque nous sommes ici dans le domaine de l’invisible) à des phares de l’espace.

 
          * Différents types de pulsars

     A ce jour, il a été identifié environ 2000 pulsars et il en existe certainement beaucoup d’autres qui ne nous sont pas accessibles en raison de leur orientation. Les vitesses de rotation de ces objets sont variables, allant de 600 tours par seconde à ¼ de tour par seconde pour les plus lents (tout est relatif !). C’est une des raisons pour lesquelles on les classe selon diverses catégories.

 
     La majorité des pulsars font partie des pulsars radio puisque c’est dans le domaine des ondes radio qu’on détecte leurs pulsations. Il est certainement difficile de capter ces émissions et on a recours à des techniques spéciales pour les observer et ce d’autant qu’une impulsion unique a un caractère souvent changeant. Toutefois, lorsqu’on dresse une moyenne à partir de plusieurs centaines d’impulsions, on obtient un profil médian très stable qui permet de caractériser parfaitement le pulsar observé et ainsi de le reconnaître facilement par la suite.

 
     Il existe d’autres pulsars appelés magnétars dont le champ magnétique est extraordinairement élevé. On a longtemps pensé qu’il s’agissait là de pulsars particuliers à l’origine mal comprise mais on évolue aujourd’hui vers une approche plus globale : on pense qu’il s’agit d’objets très jeunes, peut-être un stade évolutif obligatoire - quoique bref - de la vie de n’importe quel pulsar.

 
     Plus étranges paraissent être les pulsars X qui émettent dans le domaine des rayons X. L’explication de ce phénomène particulier est probablement à rechercher dans la présence d’un compagnon du pulsar, une étoile ordinaire composant avec l’étoile à neutrons un système binaire. Un cas particulier de ce type d’objets est celui des pulsars gamma qui, comme l’indique leur appellation, émettent des signaux dans le domaine des rayonnements gamma. Signalons que certains pulsars gamma émettent aussi dans le domaine des ondes radio, preuve qu’ils font alors partie d’un système binaire. Une seule exception existe toutefois d’un pulsar gamma (du nom de Geminga), impossible à détecter dans le domaine radio alors que c’est la source gamma la plus intense détectée dans l’Univers. Comment l’expliquer ? On ne sait pas encore. Comme on peut le constater, il reste beaucoup à découvrir sur ces objets bien particuliers : certains astronomes se sont d’ailleurs faits une spécialité de ce type d’études.

 
     Les pulsars millisecondes, quant à eux, sont des objets très anciens dont le champ magnétique a, avec le temps, beaucoup diminué tandis que leur rotation est très élevée. Ici aussi, la présence d’un compagnon, naine blanche ou étoile normale, peut expliquer ces phénomènes.

 
          * Intérêt de l’étude de ces astres si particuliers

     On pourrait se dire qu’il s’agit là d’études finalement assez gratuites (ce qui, dans le domaine de la Science, est loin d’être répréhensible). Il n’en est rien. C’est en effet grâce à l’observation de ces astres étranges qu’on a pu établir de manière éclatante la validité de la théorie de la Relativité générale bâtie au siècle dernier par Einstein. A partir de chronométrages précis de certains pulsars binaires, il a été notamment possible de confirmer expérimentalement l’existence des ondes gravitationnelles prédites par la théorie et formellement mises en évidence le 14 septembre 2015 (voir le sujet dédié) . Ainsi, à ce jour, pas moins de cinq effets relativistes ont pu être authentifiés et plus d’une dizaine d’autres sont actuellement à l’étude.

 
     On rejoint là ce que j’expliquais en préambule : l’Univers lointain (même si la majorité des pulsars observés appartiennent à notre galaxie ou à ses satellites) est régi par les mêmes lois que celles en vigueur dans notre espace proche : oui, l’Univers est intelligible. 

Les quasars

     Revenons aux années 50 et au tout début de l’observation de l’Univers par les radiotélescopes rudimentaires de l’époque. Deux sources radio principales sont alors détectées. Certaines se trouvent dans le plan galactique : elles font donc partie de notre galaxie et, effectivement, très rapidement les astronomes les attribuèrent à des masses de gaz ionisés, voire à des restants de supernovas. D’autres, néanmoins, se distribuent de manière homogène dans l’espace. L’amélioration des outils d’observation finira par les situer au-delà de notre galaxie, loin, très loin dans l’espace et, de plus, les feront coïncider le plus souvent avec la présence de galaxies elliptiques (jamais spirales, voir sujet les galaxies). Coïncider le plus souvent mais pas toujours car, dans certains cas, les télescopes optiques braqués sur l’endroit de l’émission radio… ne trouvent rien ! Problème.

 
     Les outils astronomiques devenant encore plus performants, on en arrive à identifier des sources possibles mais ce ne sont pas des galaxies, seulement de simples étoiles ! Ce qui est tout simplement impossible. Impossible car leur luminosité serait alors supérieure à celles d’une galaxie entière qui regroupe, rappelons-le, plusieurs milliards d’étoiles… Ajoutons à cela que l’étude de leur spectre optique montre un décalage considérable vers le rouge (effet doppler) : ces objets s’éloignent donc de nous à une vitesse fantastique (de plus en plus vite et de plus en plus loin en raison de l’expansion de l’Univers). Dernier point important s’il en est : la luminosité de ces objets varie en quelques mois ce qui traduit une taille très petite, en aucun cas galactique. Ni une galaxie, ni une étoile, alors quoi d’autre ? On se perd en conjectures sur ce qui est un véritable casse-tête et, ne trouvant pas d’explication logique, on en reste là pour le moment.

 
         * galaxies de Seyfert

     En 1943, un astronome américain, Carl SEYFERT, avait isolé une classe spéciale de galaxies qui portent d’ailleurs son nom. Ces galaxies se caractérisent par la présence d’un noyau hyperbrillant et compact dont l’étude du spectre montre qu’il est caractéristique de gaz animés de mouvements extraordinairement rapides de l’ordre de plusieurs milliers de km par seconde. Durant presque un quart de siècle, cette observation passe inaperçue jusqu’à ce que l’on se rende compte que les spectres optiques des noyaux des galaxies de Seyfert ressemblent étrangement aux fameux objets inconnus, les quasars. L’explication est proche.

 
          * Quasars

     Dans beaucoup de galaxies existent en définitive des noyaux brillants, des « miniquasars ». Toutefois, dans certains cas, la luminosité du noyau est telle qu’elle éclipse tout simplement celle des autres étoiles. Voilà la raison pour laquelle on n’observe alors que ce noyau, une sorte « d’étoile » extraordinairement lumineuse : c’est de là que vient l’appellation quasar, contraction de quasi-stellar radio sources (quasi-étoiles).

 
     Les quasars les plus lumineux et les plus gros sont d’autant plus nombreux que l’on observe l’Univers lointain. Près de nous, il y a peu de  quasars et ce sont toujours des miniquasars. Pourquoi ? Rappelons-nous que, plus on observe loin, plus on observe le passé. Que se passait-il jadis qui n’arrive plus (ou moins souvent) aujourd’hui ? L’explication la plus logique est la suivante : au centre de chaque galaxie existe un trou noir. Au début – c'est-à-dire très loin dans l’espace – ces trous noirs étaient hyperactifs car ils disposaient de beaucoup de matière stellaire à absorber. Jusqu’à créer autour d’eux une sorte de « no man’s land » qui les réduisit à l’inaction. Nous sommes à présent pratiquement sûrs qu’un trou noir existe au centre de la Voie lactée  elle-même mais qu’il est « endormi » (voir le sujet : Sagittarius A, le trou noir central de notre galaxie). Ce qui n’a sûrement pas toujours été le cas. Il est vrai que notre Galaxie est du domaine proche donc du (presque) présent, mais, au fur et à mesure qu’on regarde au loin, c’est à dire dans le passé, on arrive à avoir une « photo » datant de milliards d’années. Les quasars observés sont ainsi vraisemblablement les traces de ce passé disparu et traduisent l’activité des trous noirs centro-galactiques de l’époque : si l’on pouvait se trouver projeté à ces distances phénoménales, on découvrirait que ces quasars gigantesques sont à présent pratiquement au repos. En revanche, en regardant de cette position loin dans l’espace (dans le passé) du côté de la Voie lactée, on y découvrirait l’image rémanente du trou noir – du quasar – qui y brilla il y a si longtemps. En effet, la lumière ne circule qu’à la vitesse d’environ 300 000 km/seconde et l’espace est si étendu ! Je me répète une fois encore mais observer l’espace lointain, c’est remonter le temps. Et c’est cela qui rend l’astronomie si passionnante.

 

     Dans le ciel lointain existent des formations aux configurations insolites. L’astronomie moderne – et singulièrement sa branche spécialisée, la cosmologie scientifique – s’est fait un devoir de les décrypter. J’espère vous avoir convaincu (si tant est qu’il l’eut fallu) de l’intérêt de telles démarches scientifiques. Il reste encore certainement beaucoup de zones d’ombre mais chaque année qui passe apporte son lot de connaissances nouvelles qui, parfois, remettent en question les anciennes. Je trouve pour ma part extraordinaire que, depuis la Terre qui est si petite et située si loin des objets observés, on ait pu en apprendre tellement en examinant simplement le cosmos avec des instruments plus ou moins bien adaptés. Extraordinaire que, ensuite, après de minutieuses vérifications, certains aient longuement réfléchi pour chercher à comprendre et à expliquer…

     Il reste tant à découvrir que, j’en suis certain, l’avenir nous réserve encore de bonnes surprises mais, c’est bête à dire, cette curiosité doublée de tant d’ingéniosité, est une des dernières choses qui me permette encore de croire en l’intelligence de l’espèce humaine. 

Images :

1. image d'un quasar, c'est à dire d'un trou noir centrogalactique. Il s'agit bien sûr d'une vue d'artiste (sources : fascinatingly.com)

2. radiotélescopes (sources : ucsdnews.ucsd.edu)

3. structure d'une étoile à neutrons (sources : techno-science.net)

4. pulsar X de la nébuleuse du crabe photographié ici par l'observatoire Chandra. Il s'agit évidemment de la représentation visuelle d'une source X.  (sources : www.xmouse.org)

5. quelques exemples de quasars photographiés par le telescope spatial Hubble (sources : cosmovisions.com)

 6. la très belle galaxie du sombrero (ainsi appelée parce que vue par la tranche) photographiée par le télescope spatial Hubble. Assez proche puisque située à 50 millions d'années-lumière, elle renfermerait un gigantesque trou noir. (sources : www.cidehom.com)

(Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Voie lactée, groupe local, radiotélescope, quasar, pulsar, supernova, trou noir, magnétar, pulsar X, pulsar milliseconde, étoile à neutrons, Relativité générale, galaxie de Seyfert, cosmologie scientifique 

(les mots en gris renvoient à des sites d'informations complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog :

1. trous noirs

2. mort d'une étoile

3. novas et supernovas

4. théorie de la relativité générale

5. les galaxies

6. distances et durées des âges géologiques

7. Sagittarius A, le trou noir central de notre galaxie

8. les ondes gravitationnelles

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Mise à jour : 26 février 2023