Les étoiles à neutrons : des étoiles incroyablement denses

(Article du dossier « Comprendre l’Univers avec son enfant ». À lire après les articles sur les galaxies, les étoiles et les planètes, la gravité, les trous noirs et la gravité selon Einstein.)

Résumé

Une étoile à neutrons, c’est ce qui reste du cœur d’une grosse étoile après une explosion de supernova.
Elle est petite (quelques dizaines de kilomètres de diamètre), mais contient une masse comparable à celle du Soleil, parfois presque deux fois plus : ce sont parmi les objets les plus denses de tout l’Univers.

Dans cet article, tu vas découvrir comment on obtient une étoile à neutrons, pourquoi elle est aussi dense, et ce qu’elle peut nous apprendre sur l’Univers.

Comment une étoile ordinaire peut en arriver là ?

Pendant la plus grande partie de sa vie, une étoile est en équilibre :

• la gravité essaie de tout faire tomber vers le centre ;
• l’intérieur de l’étoile est très chaud et pousse la matière vers l’extérieur.

Tant que ces deux effets se compensent, l’étoile reste « gonflée » et brille tranquillement pendant des millions ou des milliards d’années.

Mais pour les étoiles très massives, cet équilibre finit par se casser :

• au bout d’un certain temps, elles n’ont plus assez d’énergie pour résister à la gravité ;
• leur cœur s’effondre vers l’intérieur ;
• les couches extérieures sont projetées dans l’espace : c’est une supernova, une explosion gigantesque.

Après l’explosion, il reste le cœur écrasé de l’étoile.
S’il n’est pas trop massif, il ne devient pas un trou noir, mais une étoile à neutrons.

Une étoile aussi lourde que le Soleil… dans une boule de 20 km

Ce qui surprend le plus, c’est la taille d’une étoile à neutrons :

• sa masse est du même ordre que celle du Soleil, souvent un peu plus grande, parfois jusqu’à presque deux fois plus grande ;
• mais son diamètre n’est que d’environ 20 kilomètres.

Vingt kilomètres, ce n’est pas si énorme : c’est la distance que l’on peut parcourir en voiture en une quinzaine de minutes sur une route rapide.

Mettre une masse comparable ou supérieure à celle du Soleil dans une boule de 20 km de diamètre donne un objet d’une densité incroyable.

Les scientifiques aiment donner cette image :

Une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons
pèserait plus qu’une montagne entière sur Terre.

On dit que la matière y est comprimée à une densité au moins aussi grande que dans le cœur des noyaux d’atomes.
Même sans connaître tous les détails, tu peux retenir une chose :

c’est l’une des formes de matière les plus « serrées » que l’on connaisse.

Petit rappel : de quoi est faite la matière ?

Pour comprendre le mot « neutron », il faut rappeler rapidement comment les scientifiques imaginent la matière :

• Tout ce que tu vois autour de toi (l’air, les rochers, ton corps, les étoiles…) est composé de grains minuscules qu’on appelle des atomes.
• Chaque atome a :
  • un noyau très petit au centre,
  • et des électrons qui se déplacent autour, un peu comme des satellites autour d’une planète (l’image n’est pas parfaite, mais elle aide).
• Le noyau contient d’autres petites particules :
  • des protons, qui portent une charge électrique positive ;
  • et des neutrons, qui, comme leur nom l’indique, sont neutres (pas de charge électrique).

Dans la matière ordinaire, les neutrons sont donc déjà là, serrés au cœur des noyaux atomiques.

Pourquoi parle-t-on d’« étoiles à neutrons » ?

Dans une étoile à neutrons, la gravité écrase la matière à un point presque inimaginable :

• les structures habituelles de la matière ne tiennent plus comme sur Terre ;
• les particules qui composent la matière sont forcées de se rapprocher énormément ;
• les neutrons deviennent alors les particules dominantes, entassées les unes contre les autres comme dans un noyau géant.

En résumé, une étoile à neutrons, c’est un peu comme :

un noyau d’atome gigantesque,
de quelques dizaines de kilomètres de diamètre,
composé surtout de neutrons extrêmement serrés.

C’est pour cela qu’on les appelle étoiles à neutrons.

Une gravité énorme, mais pas encore un trou noir

La gravité à la surface d’une étoile à neutrons est gigantesque :

• sur Terre, si tu sautes, tu retombes aussitôt ;
• sur une étoile à neutrons, tout serait attiré vers le « sol » avec une force si immense qu’aucune structure connue ne pourrait résister.

Dans la description d’Einstein de la gravité (l’espace-temps qui se déforme) :

• une étoile à neutrons tord l’espace-temps de façon très forte ;
• le temps y passe plus lentement qu’à grande distance ;
• la lumière elle-même est fortement déviée quand elle passe à côté.

Mais ce n’est pas encore un trou noir :

• la lumière a encore la possibilité de s’échapper ;
• il n’y a pas cette frontière « sans retour » qu’on appelle l’horizon des événements, caractéristique des trous noirs.

Un mot sur les pulsars (sans entrer dans les détails)

Certaines étoiles à neutrons tournent très vite sur elles-mêmes et envoient des faisceaux de rayonnement très concentrés.
Si ces faisceaux passent régulièrement devant la Terre, les scientifiques voient un signal qui clignote à intervalles très réguliers.

On appelle ces étoiles à neutrons particulières des pulsars.
C’est grâce à ces signaux, observés comme des « battements » très précis, que les premières étoiles à neutrons ont été découvertes.

Pourquoi les étoiles à neutrons intéressent les scientifiques ?

Même sans entrer dans toutes les équations, les étoiles à neutrons sont fascinantes pour les chercheurs :

• ce sont des laboratoires naturels que l’on ne peut pas recréer sur Terre ;
• elles permettent de tester la gravité dans des conditions proches de celles des trous noirs ;
• en observant leurs collisions, on peut :
  • détecter des ondes gravitationnelles (de petites vibrations de l’espace-temps),
  • suivre la création de certains éléments chimiques lourds présents sur Terre, comme l’or.

En comparant les observations aux modèles, les scientifiques vérifient :

• jusqu’où les idées d’Einstein fonctionnent ;
• et dans quels cas il faudra peut-être, un jour, les compléter avec de nouvelles théories.

En résumé

Tu peux retenir ces points importants :

• Une étoile à neutrons est le cœur écrasé d’une grosse étoile qui a explosé en supernova.
• Elle contient une masse comparable ou supérieure à celle du Soleil dans une boule d’environ 20 km de diamètre : c’est un des objets les plus denses de l’Univers.
• La matière y est tellement compressée que les particules appelées neutrons, habituellement cachées au cœur des noyaux d’atomes, sont entassées en immense quantité : d’où le nom d’étoile à neutrons.
• La gravité y est énorme : l’espace-temps y est très déformé, le temps y passe plus lentement, mais l’étoile n’est pas encore un trou noir, car la lumière peut encore s’en échapper.
• Certaines étoiles à neutrons, les pulsars, se révèlent par des signaux très réguliers, ce qui a permis de les découvrir et de mieux les étudier.
• En observant ces objets extrêmes, les scientifiques en apprennent davantage sur la gravité, sur la matière et sur la façon dont l’Univers fabrique les éléments lourds.

Dans ton exploration de l’Univers, les étoiles à neutrons occupent donc une place spéciale : elles montrent jusqu’où on peut comprimer la matière et pousser la gravité, juste avant l’étape des trous noirs.