N° 69–2002: XMM-Newton à la recherche de la matière "exotique"

XMM-Newton a été capable de mesurer pour la première fois l'influence du champ gravitationnel d'une étoile à neutrons sur la lumière qu'elle émet. Cette mesure permet d'avoir une bien meilleure idée de ce qui se passe au sein de ces corps célestes.

Les étoiles à neutrons figurent parmi les objets les plus denses de l'univers. Elles concentrent une masse équivalente à celle du Soleil dans une sphère dont le diamètre est de l'ordre de 10 kilomètres. Un échantillon de la taille d'un morceau de sucre prélevé sur une telle étoile pèserait plus d'un milliard de tonnes. Elles sont tout ce qui subsiste de l'explosion d'étoiles jusqu'à huit fois plus massives que le Soleil (supernovae), après que leur matière se soit effondrée sous l'influence de leur propre gravité. L'intérieur de ces étoiles pourrait contenir, de ce fait, une matière à caractère fortement "exotique".

Les chercheurs pensent que la densité et la température rencontrées à l'intérieur d'une étoile à neutrons sont proches de celles qui régnaient une fraction de seconde après le Big bang. Ils supposent que la matière ainsi comprimée subit d'importants changements. Les protons, électrons et neutrons qui composent les atomes fusionnent. Il est même possible que les quarks, élément constitutif des protons et des neutrons, s'effondrent les uns sur les autres, donnant naissance à une sorte de plasma exotique, composé de matière "dissoute".

Comment confirmer toutes ces hypothèses ? Les chercheurs tentent depuis de nombreuses années d'identifier la nature de la matière contenue dans les étoiles à neutrons. Ils ont besoin, pour cela, de connaître très précisément la valeur de certains paramètres : Mesurer la masse et le rayon d'une étoile, où établir un rapport entre ces deux grandeurs, permet de calculer sa densité. Avant le lancement d'XMM-Newton, aucun instrument n'était capable de fournir les mesures nécessaires. Grâce à l'observatoire de l'ESA, les astronomes ont pu mesurer, pour la première fois, le rapport entre la masse et le rayon d'une étoile à neutrons et obtenir ainsi une première série d'indications sur sa composition. Les mesures obtenues suggèrent, sans être conclusives, que la matière contenue dans cette étoile à neutrons n'est pas "exotique" mais normale. Les auteurs de la découverte soulignent qu'il s'agit là "d'un premier pas fondamental" et qu'ils vont poursuivre leurs recherches.

La manière dont les chercheurs ont obtenu les mesures qu'ils souhaitaient constitue en elle-même une "première" en matière d'astronomie et représente un grand succès. Leur méthode a consisté à déterminer la densité de l'étoile à neutrons de façon indirecte. L'attraction gravitationnelle d'une étoile à neutrons est considérable, de l'ordre d'un milliard de fois celle de la Terre. Du fait de ce phénomène, les particules de lumière émises par une étoile de ce type perdent de l'énergie. Cette perte d'énergie se traduit par ce que l'on appelle un décalage gravitationnel vers le rouge. La mesure de ce décalage effectuée par XMM-Newton a permis de calculer l'attraction gravitationnelle de l'étoile à neutrons et donc sa densité.

"Ces mesures extrêmement précises n'ont pu être obtenues que grâce à la très grande sensibilité d'XMM-Newton et à sa capacité à distinguer les détails" a souligné Fred Jansen, responsable scientifique de l'observatoire spatial de l'ESA.

Le principal auteur de la découverte, Jean Cottam, du Centre spatial Goddard de la NASA, explique pour sa part que "les tentatives faites pour mesurer le phénomène de décalage gravitationnel vers le rouge ont débuté juste après la publication de la Théorie générale de la relativité d'Einstein. Mais aucune recherche n'avait permis jusqu'ici de mesurer ce phénomène dans une étoile à neutrons, où l'on supposait qu'il devait atteindre une ampleur considérable. Nous en avons désormais la confirmation."

Note aux rédactions

Les résultats mentionnés ont été obtenus par l'observation de l'étoile à neutrons EXO 0748-676. XMM-Newton a enregistré le rayonnement X émis par cet objet céleste. L'analyse de ce rayonnement a permis aux astronomes de dénoter la présence de fer dans les matériaux entourant l'étoile. En comparant le signal déformé émis par les atomes de fer de l'étoile à neutrons et celui produit par des atomes de fer en laboratoire, ils ont pu mesurer le degré précis de distorsion provoqué par la gravité d'EXO 0748-676.

Ces résultats font l'objet d'une publication dans l'édition de la revue Nature datée du 7 novembre 2002. L'auteur principal est Jean Cottam, du Centre spatial Goddard de la NASA (Greenbelt - États-Unis), associé à Mariano Mendez, de l'Institut néerlandais de la recherche spatiale (SRON) et Frits Paerels de l'Université de Columbia (New-York, États-Unis).

XMM-Newton

XMM-Newton dispose d'une capacité de détection des sources de rayonnement X supérieure à celle de tous les satellites lancés avant lui, ce qui lui permet de contribuer à élucider de nombreux mystères liés aux phénomènes les plus spectaculaires de notre Univers, de la formation des galaxies aux trous noirs. Lancé le 10 décembre 1999 à Kourou (Guyane) par une fusée Ariane-5, il devrait fonctionner pendant une dizaine d'années. Il dispose de trois télescopes de conception nouvelle, équipés de quelque 170 miroirs cylindriques très fins. Son orbite l'entraîne jusqu'à une distance équivalant à un tiers de celle séparant la Terre de la Lune, ce qui permet aux astronomes d'effectuer des observations longues et ininterrompues sur les objets célestes qu'ils étudient.

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