How big is Étoile à neutrons?

Une étoile à neutrons est le noyau effondré d'une étoile massive qui a explosé en supernova, l'explosion qui met fin à la vie de certaines grandes étoiles. Elle concentre plus de masse que le Soleil dans une sphère d'environ 24 à 26 kilomètres de large. Cette largeur correspond à son diamètre, mesuré en ligne droite à travers son centre.

Taille

Les scientifiques pensent qu'une étoile à neutrons possède une croûte solide d'atomes lourds sous une fine atmosphère d'hydrogène ou d'hélium. Elle a ainsi une surface dont la taille peut être mesurée. Les mesures précises proviennent de NICER, un télescope à rayons X installé sur la Station spatiale internationale.

NICER étudie les pulsars, des étoiles à neutrons qui tournent rapidement sur elles-mêmes. À partir de ses données, les astronomes ont déterminé que le pulsar PSR J0030+0451 mesure environ 26 kilomètres de diamètre et possède environ 1,4 fois la masse du Soleil. PSR J0740+6620, avec environ 2,1 fois la masse du Soleil, mesurait environ 25 kilomètres de diamètre selon l'analyse d'une équipe et environ 27 selon une autre. En 2024, un troisième pulsar, PSR J0437−4715, a été mesuré à environ 23 kilomètres de diamètre.

Chacun de ces résultats comporte une incertitude de quelques kilomètres. En combinant les résultats des deux premiers pulsars avec d'autres observations, une équipe a établi en 2021 qu'une étoile à neutrons typique, avec 1,4 fois la masse du Soleil, a un rayon de 12,45 kilomètres, à 0,65 près. Cela lui donne un diamètre d'environ 24 à 26 kilomètres.

Comparaisons de taille

La NASA compare la largeur d'une étoile à neutrons à la longueur de l'île de Manhattan, à New York.
Faire une fois le tour de l'équateur d'une étoile à neutrons de 24 kilomètres de diamètre représenterait environ 75 kilomètres, soit la longueur d'environ 1,8 marathon.
Phobos, la plus grande lune de Mars, mesure environ 27 kilomètres de long, un peu plus que la largeur d'une étoile à neutrons. Pourtant, une étoile à neutrons typique pèse environ 260 billions de fois la masse de Phobos.
Le Soleil mesure environ 1,39 million de kilomètres de diamètre, soit 58 000 fois la largeur d'une étoile à neutrons de 24 kilomètres.
Si une étoile à neutrons était réduite à la taille d'un ballon de basket, le Soleil, à la même échelle, serait une sphère d'environ 14 kilomètres de diamètre.

Comment se forme une étoile à neutrons

À la fin de sa vie, une étoile plusieurs fois plus lourde que le Soleil épuise le carburant de son noyau. Le noyau s'effondre sous son propre poids, et l'étoile explose en supernova. Les plus lourdes de ces étoiles laissent derrière elles des trous noirs. Les plus légères laissent des étoiles à neutrons.

L'effondrement écrase les protons et les électrons du noyau pour former des neutrons, les particules qui donnent son nom à l'étoile. Si le noyau en train de s'effondrer a entre environ 1 et 3 fois la masse du Soleil, les neutrons peuvent arrêter l'effondrement.

Ce qu'il y a à l'intérieur

Les scientifiques pensent qu'une étoile à neutrons est structurée en couches. Sous la croûte, la pression brise les atomes pour former une mer composée surtout de neutrons. Plus profondément, les neutrons sont comprimés jusqu'à deux fois plus densément que les particules d'un noyau atomique. La forme que prend la matière au centre même reste inconnue.

En moyenne, chaque centimètre cube d'une étoile à neutrons typique pèse entre 300 et 400 millions de tonnes. En mesurant à la fois la taille et la masse des étoiles à neutrons, les physiciens peuvent déterminer comment se comporte une matière aussi dense. PSR J0740+6620 a une masse supérieure de près de 50 % à celle de PSR J0030+0451, mais une taille pratiquement identique. Ce résultat va à l'encontre de certaines hypothèses selon lesquelles la matière du centre serait plus facile à comprimer.

Les pulsars et leur découverte

Walter Baade et Fritz Zwicky ont proposé en 1934 que les étoiles à neutrons existent. Jocelyn Bell Burnell a découvert les premiers pulsars en 1967. La plupart des étoiles à neutrons connues sont observées sous forme de pulsars. Chacune émet des faisceaux qui balaient le ciel en tournant, comme la lumière d'un phare, ce qui lui donne l'apparence d'un clignotement.

Les pulsars peuvent tourner très vite. PSR J0740+6620 effectue 346 tours par seconde. NICER chronomètre l'arrivée de chaque rayon X d'un pulsar à 100 nanosecondes près, soit 100 milliardièmes de seconde. Les variations de luminosité indiquent avec quelle intensité l'étoile courbe la lumière, ce qui, combiné à sa masse, permet aux scientifiques d'en déduire sa taille.