La Voie lactée abrite probablement des centaines de millions d'étoiles à neutrons, vestiges d'explosions stellaires. Pourtant, seules quelques milliers ont été observées à ce jour, car elles sont trop peu visibles et isolées.
Une étude récente dans
Astronomy and Astrophysics indique que le futur télescope spatial Nancy Grace Roman, grâce à ses capacité dans la détection des effets de microlentilles gravitationnelles, pourrait changer la donne. Il permettrait d'identifier ces astres compacts autrement invisibles. Leur nombre exact reste une inconnue pour les astronomes.
Le télescope spatial Nancy Grace Roman, observatoire infrarouge de la NASA, devrait transformer l'étude des étoiles à neutrons et des trous noirs. Crédit: NASA's Goddard Space Flight Center
Ces étoiles à neutrons sont les noyaux effondrés d'étoiles massives, concentrant plus de matière que le Soleil dans une sphère de la taille d'une ville. Ces astres émettent peu de lumière visible, ce qui les rend difficiles à repérer. Seules celles qui émettent des ondes radio régulières, appelées pulsars, ou des rayons X sont détectables. La majorité d'entre elles reste donc cachée. C'est là que Nancy Grace Roman intervient.
La microlentille gravitationnelle est une méthode employée par les astronomes pour détecter ces étoiles invisibles. Quand un objet massif, comme une étoile à neutrons, passe devant une étoile lointaine, sa courbure de l'espace dévie la lumière de l'étoile. Cela provoque un bref éclat et un léger décalage de sa position apparente. Le télescope pourra mesurer ces deux effets avec une grande précision.
Ce qui rend Nancy Grace Roman si précieux, c'est sa capacité astrométrique. La plupart des télescopes ne perçoivent que le sursaut de luminosité, mais celui-ci peut aussi mesurer le minuscule déplacement angulaire de l'étoile. Comme les étoiles à neutrons sont très massives, ce déplacement est plus prononcé que pour d'autres objets. Cela ouvre la voie à une mesure directe de leur masse, une information rare. Les scientifiques n'ont jusqu'ici mesuré la masse que de quelques étoiles à neutrons, toutes en systèmes binaires.
Les chercheurs espèrent ainsi détecter des dizaines d'événements de microlentille causés par des étoiles à neutrons. Ces observations pourraient aussi révéler les "coups de pied" violents reçus lors de leur formation, qui les propulsent à travers la Galaxie à grande vitesse. Mesurer ces vitesses permettrait de mieux comprendre les supernovas. C'est une pièce manquante dans notre compréhension de ces phénomènes.
Schéma de la microlentille astrométrique: la gravité d'une étoile à neutrons déforme la lumière d'une étoile d'arrière-plan, créant un décalage de position. Plus l'objet est massif, plus le décalage est grand. Crédit: NASA, STScI, Joyce Kang (STScI)
Même un petit nombre de découvertes aurait un impact important. Selon Zofia Kaczmarek, de l'université de Heidelberg, une seule mesure de masse d'une étoile à neutrons isolée serait déjà très précieuse. Cela permettrait de tester les modèles d'explosion stellaire et d'étudier la matière dans des conditions extrêmes. Actuellement, les masses connues proviennent uniquement de systèmes binaires. Les étoiles à neutrons isolées pourraient avoir des masses différentes.
Le télescope Nancy Grace Roman n'est pourtant pas conçu pour cela. Destiné à chercher des exoplanètes, il embarque des instruments très sensibles qui ouvrent de nouvelles possibilités. Comme l'indique Peter McGill, du laboratoire national de Lawrence Livermore, il est maintenant accepté qu'il pourra détecter des étoiles à neutrons et des trous noirs isolés. Les scientifiques sont impatients de recevoir les premières données.
La microlentille gravitationnelle
La microlentille gravitationnelle est un phénomène prédit par la relativité générale d'Einstein. Lorsqu'un objet massif, comme une étoile ou un trou noir, passe devant une source lumineuse plus lointaine, sa gravité courbe l'espace-temps. Cela dévie la lumière de la source, créant une image déformée et souvent amplifiée. Cet effet est utilisé en astronomie pour étudier des objets qui autrement seraient invisibles.
Dans le cas de la microlentille dite "photométrique": on observe un bref sursaut de luminosité de la source. La plupart des télescopes se concentrent sur cette augmentation d'éclat. Mais il existe aussi un effet astrométrique: la position apparente de la source se déplace légèrement. Ce déplacement est minuscule, de l'ordre de quelques millionièmes de degré, mais il contient des informations précieuses sur la masse de l'objet.
Le télescope Roman est conçu pour mesurer les deux effets. Grâce à sa grande précision astrométrique, il pourra détecter les faibles décalages de position causés par des étoiles à neutrons ou des trous noirs. Plus l'objet est massif, plus le décalage est important. Cela permet non seulement de détecter ces astres, mais aussi de déterminer leur masse directement, une information rare et précieuse.
Les étoiles à neutrons
Les étoiles à neutrons sont les noyaux résiduels d'étoiles massives après une explosion en supernova. Leur masse est comparable à celle du Soleil, mais comprimée dans une sphère d'environ 20 km de diamètre. Cette densité extrême en fait des laboratoires naturels pour étudier la matière dans des conditions impossibles à reproduire sur Terre. Elles possèdent également des champs magnétiques intenses et tournent très rapidement.
La plupart des étoiles à neutrons sont difficiles à observer car elles n'émettent que peu de lumière visible. Certaines sont détectables comme pulsars, en émettant des impulsions radio régulières. D'autres sont visibles en rayons X si elles accrètent de la matière. Mais la grande majorité reste invisible. Les modèles prédisent qu'il en existerait entre 100 millions et 1 milliard dans la Voie lactée.