PHARES DANS LE CIEL



Découverts par hasard : les pulsars...

Christian Magnan
Collège de France, Paris
Université de Montpellier II



La prédiction de l'existence hypothétique des étoiles à neutrons par la conjugaison des efforts des théories quantiques, nucléaires et relativistes constituait l'une des découvertes majeures du XXe siècle car elle ouvrait des perspectives nouvelles dans la physique des états hypercondensés de la matière. Cependant, aussi étonnant que cela puisse paraître, cette percée théorique n'engagea pas les astronomes dans une campagne de détection effrénée.

À leur décharge, il faut le dire, tout laissait penser à l'époque que de tels objets devaient se trouver définitivement inaccessibles à nos instruments car leur diamètre de dix à cents kilomètres les rendait beaucoup plus petits qu'une planète et de ce fait a priori extrêmement peu lumineux.

Fort heureusement le hasard vint en aide aux astronomes. En 1967 des signaux radio sont découverts fortuitement par Jocelyn Bell, une étudiante en stage dans une équipe de recherche de l'Université de Cambridge. Les signaux se présentent comme des éclairs se succédant à intervalles très réguliers et très brefs : 1,337 seconde seulement séparent deux impulsions successives. Ces battements sont tellement remarquables par leur structure et leur régularité que certains concluent même aussitôt qu'ils constituent le message d'une civilisation extraterrestre !

L'article qui fait part de la découverte au monde scientifique avance l'hypothèse 1 de pulsations, ce qui explique le nom de « pulsars », pour « puls[ating] [st]ars », donné à ces objets. Mais on se rallie vite à une autre hypothèse qui seule explique la très courte période d'émission des signaux, celle d'un phénomène lié à une rotation rapide : les faussement nommés pulsars se révèlent des étoiles à neutrons (mais conserveront leur nom de baptême évoquant une pulsation ), toutes petites (de dimensions comparables à celles de la Terre) et tournant sur elles-mêmes à des vitesses fantastiques.

Que la rapidité de rotation de l'étoile soit liée à la petitesse de son rayon est la conséquence d'un théorème de physique énonçant que lorsque l'étoile évolue, par exemple en se contractant, doit se conserver ce que l'on pourrait appeler sa « quantité de rotation totale » (en termes techniques, son moment angulaire total), ce qui implique que plus l'objet réduit sa taille, plus il tourne vite. C'est la fameuse technique du patineur : plus il replie les bras, plus il tourne vite.

Prédiction sur le papier des étoiles à neutrons, détection des pulsars : il faut saluer la conjonction heureuse d'un résultat théorique et d'une observation et rappeler à ce propos que ce n'est qu'au prix de ce rapprochement qu'une théorie et une observation acquièrent un sens alors que, prises isolément, elles n'auraient aucune valeur. Néanmoins il convient de souligner le rôle que la chance a joué. J'en tire personnellement une leçon : si les scientifiques avaient bien prévu théoriquement l'existence possible de ces étoiles à neutrons, personne n'avait su deviner leur aspect réel et qualitatif. Autrement dit, à partir du seul modèle théorique rien ne permettait de dire quel objet on observerait « pour de vrai ».

L'apparence concrète des étoiles à neutrons reste d'ailleurs assez mystérieuse, une bonne trentaine d'années après la découverte des signaux pulsars. L'objet tourne, c'est clair, mais on ne sait pas vraiment ce qui produit les éclairs successifs. Tout se passe comme si l'on était en présence d'un phare balayant l'espace, mais qu'est-ce qui produit l'effet collimateur ? Quelle est la source de rayonnement ? Quels sont les mécanismes physiques en jeu ? Rien n'est encore élucidé de façon satisfaisante.

L'équilibre des étoiles à neutrons est décrit par les mêmes formules que celles des naines blanches, à ceci près que les forces de répulsion capables de supporter la gravitation ne sont plus dues aux électrons mais aux neutrons. Il est intéressant de noter ici que cet équilibre est régi par les mêmes lois que celles qui confèrent sa stabilité à l'atome d'hydrogène. Dans tous ces cas une énergie d'origine quantique (ou, plutôt, donnée par des formules quantiques) s'oppose à une autre forme d'énergie, gravitationnelle pour l'étoile à neutrons et la naine blanche, électrique pour l'atome. Que la théorie puisse englober ces phénomènes différents dans une même formule vient du fait que l'énergie gravitationnelle et l'énergie électrique se comportent toutes les deux de la même façon, à savoir qu'elles varient en proportion inverse de la distance au centre attracteur (en jargon scientifique elles suivent une « loi en 1/r »).

Qu'une même équation puisse résumer la structure de l'atome et celle de l'étoile à neutrons est pour moi le signe de la puissance de la théorie. Il fallait le faire : la physique l'a fait !

À suivre


1.   Est-il utile de préciser que l'hypothèse de signaux « intelligents » n'a tenu... que le temps de la formuler ?
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Version revue, corrigée et enrichie
du livre de Christian Magnan

La nature sans foi ni loi
Éditions Belfond/Sciences (1990)
Dernière modification : 13 mai 2005


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