About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
Une fois par siècle environ, une étoile massive, quelque part dans notre galaxie, tombe en panne de carburant. Cela survient après que des millions d'années de chaleur et de pression ont fait fusionner l'hydrogène de l'étoile en des éléments plus lourds comme l'hélium, le carbone et l'azote - et cela jusqu'au fer. Incapable de continuer de produire assez d'énergie pour soutenir sa structure, elle s'effondre sous sa propre pression gravitationnelle et explose en une supernova. L'étoile propulse la plupart de ses entrailles dans l'espace, ce qui ensemence la galaxie en éléments lourds. Mais ce que cette éruption cataclysmique laisse derrière elle semble bien plus insolite : une sphère de matière tellement dense que les électrons atomiques chutent de leur orbite quantique jusqu'aux profondeurs du noyau atomique. La mort de cette étoile marque la naissance d'une étoile à neutrons : l'un des objets connus les plus denses de l'univers
But what is a neutron star?
et un laboratoire de l'étrange physique de la matière super-condensée.
Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
Mais qu'est-ce qu'une étoile à neutrons ? Imaginez une boule compacte dans laquelle les protons et les électrons se fusionnent en neutrons et forment un liquide non-visqueux, un superfluide, entouré d'une croûte. Cette matière est incroyablement dense : cela équivaut à la masse d'un porte-conteneurs entièrement rempli entassée dans un cheveu humain ou à la masse de l'Everest dans le volume d'un morceau de sucre. Au sein de la croûte, le superfluide à neutrons forme différentes phases appelées « pâtes nucléaires » par les physiciens car elles prennent des formes de lasagnes ou de spaghetti.
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
Les précurseurs massifs des étoiles à neutrons sont souvent en rotation. En s'effondrant, les étoiles d'une envergure de millions de kilomètres se compressent en étoiles à neutrons qui ne font que 25 km de diamètre. Mais la quantité de mouvement angulaire d'origine de l'étoile est conservée. Ainsi, de la même manière qu'un patineur artistique tourne plus vite lorsqu'il rapproche ses bras, l'étoile à neutrons tourne bien plus rapidement que son parent. La plus rapide que l'on connaisse tourne plus de 700 fois par seconde, ce qui signifie qu'un point de sa surface tourbillonne à travers l'espace à plus d'un cinquième de la vitesse de la lumière. Les étoiles à neutrons possèdent aussi le plus puissant champ magnétique connu. Cette concentration magnétique crée des vortex qui propulsent des rayons depuis les pôles magnétiques. Les pôles n'étant pas toujours alignés avec l'axe de rotation de l'étoile, les rayons tournent comme les lumières d'un phare, ce qui apparaît comme un clignotement depuis la Terre. On appelle cela des pulsars. C'est en réalité la détection de l'un de ces mystérieux clignotements par l'astrophysicienne Jocelyn Bell en 1967 qui nous a fait indirectement découvrir les étoiles à neutrons. La rotation frénétique d'une étoile ralentit pendant des milliards d'années en émettant son énergie sous forme d'ondes électromagnétiques et gravitationnelles.
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
Mais toutes les étoiles à neutrons ne disparaissent pas silencieusement. Par exemple, nous avons observé des systèmes binaires où une étoile à neutrons co-orbite autour d'une autre étoile. Une étoile à neutrons peut se nourrir d'un voisin plus léger, en se gavant de son atmosphère peu liée avant de finalement s'écrouler de façon cataclysmique en un trou noir.
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
Beaucoup d'étoiles forment des systèmes binaires mais peu de ces derniers deviennent des duos d'étoiles à neutrons, où deux étoiles à neutrons tourbillonnent dans une valse vouée à finir en fusion. En se percutant, elles émettent des ondes gravitationnelles à travers l'espace-temps comme les ondulations issues de pierres jetées dans un lac calme.
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
La théorie de la relativité générale d'Einstein a prédit ce phénomène il y a plus de 100 ans mais il n'a pas été constaté avant 2017, lorsque les observatoires d'ondes gravitationnelles LIGO et VIRGO ont observé une collision d'étoiles à neutrons. D'autres télescopes ont détecté un éclat de rayons gamma et de lumière et ensuite, des rayons X et ondes radio, tous provenant du même impact. C'est devenu l'événement le plus étudié de l'histoire de l'astronomie. Il a livré un trésor d'informations qui a aidé à mesurer la vitesse de la gravité, renforcer les théories fondamentales de l'astrophysique et fournir des indices sur l'origine d'éléments lourds
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
comme l'or ou le platine. Les étoiles à neutrons n'ont pas encore dévoilé tous leurs secrets. On améliore LIGO et VIRGO pour détecter plus de collisions. Cela nous aidera à apprendre ce que le décès spectaculaire de ces aimants rotatifs, denses et palpitants peut nous révéler au sujet de l'univers.