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Etoiles à neutrons |
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| article : n°200604 | ||||||
| auteur : George Greenstein | ||||||
| date : 28/01/2004 | ||||||
| catégorie : étoiles | ||||||
| Le destin des étoiles |
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| Voici un extrait très intéressant du livre "Le destin des étoiles" de George GREENSTEIN, qui nous permet de comprendre l'étoile à neutrons. Cet article de 1983 ne reflète pas les connaissances actuelles de l'étoile à neutrons, qui passionne de plus en plus d'astrophysiciens. La densité moyenne d'une étoile à neutrons est à peu près celle du noyau atomique. Mais cette étoile ne possède pas en tous point cette densité. En partant de sa surface vers son centre, on rencontrerait des densités de plus en plus grande. Pour se représenter plus facilement l'état de la matière à l'intérieur des étoiles à neutrons, il est instructif d'imaginer une expérience. Commençons par un bloc de matière ordinaire, de la roche, et comprimons-le pour l'amener à des densités de plus en plus grandes. Il subira alors une série de transitions vers des états de plus en plus étranges, reproduisant à chaque stade |
l'état de la matière dans des régions de plus en plus profondes à l'intérieur de l'étoile.
Commençons par une roche de la forme d'un cube de 1 Km de côté. Appliquons à ce cube
une batterie de presses géantes, et comprimons le jusqu'à ce qu'il n'ait plus que 100
mètres de hauteur. Il est maintenant plus dense que n'importe quel matériau terrestre.
Nous aurions bien du mal à en détacher une petit morceau de 3 cm de côté, car il pèserait
près de 200 kg. Souvenons-nous que les étoiles à neutrons, au contraire des planètes et des étoiles ordinaires, possèdent des champs magnétiques super puissants. Pour reproduire les conditions qui règnent à l'intérieur de l'étoile, appliquons à ce cube un champs magnétique aussi intense. Ce champs est tellement puissant qu'il déforme jusqu'aux atomes constituant la matière. En l'absence de champs magnétiques, les atomes ont une forme |
sphérique, alors que soumis à des champs magnétiques super puissants, ils prennent une
forme effilée et s'alignent d'eux-mêmes suivant des lignes de champ magnétique, comme
autant de petites aiguilles placées bout à bout. Ils exercent des forces chimiques les
uns sur les autres, s'associant en de fines et longues chaînes moléculaires. La matière
prend alors une structure effilée, en mèche de cheveux. C'est la première phase critique
de la compression, elle correspond à la matière de la surface de l'étoile. Le cube, d'un kilomètre de hauteur au départ, a donc été comprimé jusqu'à une hauteur de 100 mètres. Comprimons-le davantage, jusqu'à ce qu'il n'ait plus que 5 mètres de haut. Maintenant, chaque centimètre cube de cette matière super dense atteint un poids de 100 tonnes, et se retrouve dans un état tout à fait inhabituel. |
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| Les atomes n'existent plus ... |
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| A cette pression, les atomes qui constituent la matière ordinaire n'existent plus. Ils sont forcés d'empiéter les uns sur les autres. Les atomes sphérique ou "en aiguilles", sont formés d'électrons en orbite autour du noyau. Mais une fois écrasés les uns sur les autres, cette structure ordonnée est détruite. C'est exactement ce qui se passerait si l'on pressait deux maisons en briques l'une contre l'autre. Cela correspond à la seconde phase critique de la compression; au cours de cette phase, la matière se retrouve dissoute en un mélange homogène, uniforme, de composants atomiques: les électrons |
et les noyaux. Elle n'est plus soumise aux lois de la chimie. Par exemple, elle ne peut
plus brûler, elle n'est ni acide ni basique, elle n'a pas de saveur. Ce sont là des
propriétés purement chimiques de la matière, et la chimie résulte des interactions entre
les atomes, mais les atomes ont disparu. Cette matière forme un solide. Cela à cause des forces que les noyaux exercent les uns sur les autres. Ces forces sont très simples. Les noyaux possèdent une charge électrique positive, et les charges de même signe se repoussent. Les noyaux essaient alors de s'éviter entre eux. |
La situation la plus favorable est celle dans laquelle chaque noyaux se trouve le plus éloigné possible de ses voisins. Cet ensemble, dans lequel chaque particule repousse et est repoussée par, toutes les autres, se comporte exactement comme une foule entassée dans le métro: pour éviter le contact, les gens restent immobiles. La matière est gelée: non qu'elle soit froide, mais parce qu'elle est dense. Les étoiles à neutrons, comme la Terre, possède une croûte externe. Cette croûte commence quelques mètres à peine sous la surface de l'étoile, et se prolonge sur quelques kilomètres vers l'intérieur. | ||||
| Poursuivons la compression ... | ||||||
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| Le cube d'un kilomètre de côté a maintenant atteint une hauteur de 5 mètres. Poursuivons la compression. Les noyaux commencent alors à absorber les électrons. Un noyau atomique comprend à peu près autant de neutrons que de protons: sous l'effet de la compression, les protons réagissent maintenant avec les électrons qu'ils absorbent pour former encore plus de neutrons. Lentement, continûment, la matière ordinaire se comprime en matière neutronique. Comprimons le cube jusqu'à ce qu'il atteigne 50 centimètres de côté. Chaque centimètre cube pèse 100 000 tonnes. | C'est encore un solide, et il est maintenant presque entièrement constitué de noyaux riches en neutrons, avec quelques électrons résiduels. Mais à cette densité, nous rencontrons la troisième phase critique de la compression: les neutrons commencent à entrer en ébullition autour des noyaux. Les noyaux se sont tellement enrichis de neutrons qu'ils se retrouvent incapables de les contenir tous; et un à un d'abord, puis en nombre sans cesse croissant à mesure qu'augmente la densité, les neutrons s'échappent de leurs noyaux comme les abeilles de la ruche. | Ils
remplissent les espaces entre les noyaux. Ils se déplacent librement. Ils s'écoulent
dans tous les sens. Ils forment un
superfluide. Au delà de la troisième phase critique de la compression, la matière est constituée d'un solide coexistant avec un superfluide. Le superfluide neutronique s'infiltre dans le solide, puis diffuse dans tous les sens. Nous décrivons ici la croûte interne de l'étoile à neutrons. Située juste en dessous de la croûte externe, elle est baignée par le superfluide de neutrons, véritable océan souterrain. |
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| Désagrégation des noyaux ... | ||||||
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| Continuons notre compression. Comprimons le cube jusqu'à ce qu'il ait 5 centimètres de côté. 10 milliards de tonnes de matière se retrouvent enfermés dans ce volume. Les noyaux sont si proches maintenant qu'ils se touchent les uns les autres. Ils s'interpénètrent. Ils se mélangent et perdent leur identité. Au delà de cette quatrième phase critique de la compression, les noyaux se sont complètement désagrégés en une soupe homogène, presque entièrement composée d'un superfluide de neutrons, avec quelques traces de protons et d'électrons libres. Le solide a été dissous par la compression. A ce stade, nous | avons atteint une zone se trouvant à peu près à mi-chemin entre la surface et le centre de l'étoile, et ce point marque la limite inférieure de la croûte de l'étoile. Au dessous de cette frontière, un océan de neutrons superfluide s'étend jusque dans les profondeurs de l'étoile. Plongeons dans cet océan, vers le cœur de l'étoile. La densité, en fait, n'augmente pas de beaucoup. Par rapport à notre expérience imaginaire, les conditions au centre même de l'étoile sont équivalentes à réduire le cube à un quart de sa taille actuelle. Cela fait une augmentation de densité relativement modeste. Mais par suite de cette augmentation, une chose | importante se produit. Nous atteignons les limites de notre connaissance. Avec cet accroissement de densité, un nombre incalculable de particules élémentaires apparaît à l'intérieur de l'étoile. Plus elle est dense, plus les neutrons qu'elle contient se déplacent rapidement; au centre de l'étoile, ils sont tellement rapides que, à chaque fois qu'ils entrent en collision, une gerbe de particules nouvelles apparaît. Sur Terre, ces étranges particules ne sont que très rarement créées, au cours d'expériences dans les accélérateurs de particules géants. Mais dans l'étoile, cela se produit constamment. | ||||
| Aux frontières de la connaissance ... | ||||||
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| La physique des particules élémentaires est un domaine situé aux frontières de la connaissance actuelle. On connaît pratiquement plusieurs centaines de particules exotiques; mais aucune n'est comprise en détail. La raison en est qu'elles ne vivent pas assez longtemps pour être correctement étudiées. Elles sont aussi évanescentes que des lucioles. Une fois créées dans un accélérateur, elles se désintègrent en d'autres particules exotiques qui elles mêmes ne survivent que très peu de temps avant de se désintégrer à leur tour. Le méson pi, par exemple, survit en moyenne à peine 300 millionièmes de seconde, et il vit relativement longtemps par rapport aux |
autres particules de son espèce. Cependant, au cours de leur brève existence, ces particules exercent les une s sur les autres des forces d'une grande complexité, et interagissent de manières diverses. Ces nouvelles particules élémentaires se désintègrent dans un laboratoire, mais pas dans une étoile à neutrons. Sous de grandes pressions, elles deviennent stables. Elles sont extrêmement nombreuses à occuper les grandes profondeurs de l'étoile. Le centre même d'une étoile à neutrons est constitué d'une matière dont nous comprenons à peine les propriétés. Mais il y a plus. Cette matière est plus dense qu'une particule élémentaire. |
Elle se trouve soumise à une pression telle que ses constituants fondamentaux sont comprimés les uns sur les autres. Tout objet dans la vie quotidienne, même aussi dense qu'un bloc de plomb, contient une bonne quantité de vide. Les particules individuelles, qui forment la matière ordinaire, ne se touchent pas. C'est également vrai au cœur du Soleil ou dans les profondeurs des planètes. Mais dans une étoile à neutrons la matière est complètement tassée: il n'y a plus d'espace vide. Mais même à ce stade nous n'avons pas encore atteint le centre de l'étoile... |
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Astronomie - 15 Oct 2007 |
