Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de sep/oct/nov 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 6 Mo

  • Dans ce numéro : des gouttes qui s'éclatent.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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À la fin des années 1960, des impulsions radio régulières sont découvertes en provenance d’astres de notre galaxie. Analogue à celle d’un phare au bord de la mer, l’émission de ces « pulsars » est interprétée comme le passage d’un faisceau radio collimaté (peu divergent) sur la Terre. Parmi les milliers de pulsars connus aujourd’hui, certains sont dotés d’une stabilité de rotation hors du commun les rendant utilisables pour un grand nombre d’applications en physique fondamentale. Un réseau de pulsars ultra-stables est actuellement utilisé pour chercher la signature des déformations de l’espacetemps induites par les ondes gravitationnelles prédites dans la foulée des travaux d’Albert Einstein. Ces ondes seraient émises par les couples de trous noirs de milliards de masses solaires situés aux centres des galaxies voisines. 26 Reflets de la Physique n°59 Les pulsars radio  : 50 ans de découvertes ! Ismaël Cognard (ismael.cognard@cnrs-orleans.fr) Laboratoire de physique et chimie de l’environnement et de l’espace (LPC2E), 45071 Orléans Cedex 2 Une découverte inattendue Au milieu des années 1960 à Cambridge, sous la direction du professeur Antony Hewish, la jeune étudiante Jocelyn Bellaida à la construction d’un nouvel instrument capable d’observer le ciel dans le domaine des ondes radio de basse fréquence (fig. 1). Les antennes, constituées de longs câbles suspendus à des poteaux de bois, s’étendaient sur environ deux hectares et captaient les ondes radio autour de 80 MHz (un peu en dessous de notre modulation de fréquence actuelle). L’équipe souhaitait étudier les quasars (a), des astres extrêmement brillants qui venaient alors d’être découverts. Pour obtenir des informations sur la taille de ces sources à très grande distance, les astrophysiciens ont cherché à s’aider de la scintillation interplanétaire rapide dont elles souffraient du fait de leur aspect quasi-ponctuel. En effet, comme l’atmosphère terrestre pour le rayonnement visible, le milieu interplanétaire est turbulent et produit sur le rayonnement radio de la scintillation dont les caractéristiques dépendent de la taille des objets. Pour ces études, un récepteur novateur capable d’enregistrer le signal avec une résolution temporelle courte ( 0,1 seconde) a donc été déployé. ti r NrA'nerN.1,.v%.,v-v-,-..- 1 0 20 Jocelyn Bell Burnell. Il -i2 -67 1. Jocelyn Bell. Alors étudiante en thèse, Jocelyn Bell est responsable du câblage des antennes de l’interféromètre de Cambridge et fera la découverte de sources radio répétitives, maintenant appelées « pulsars ». C’est ainsi que fin 1967, une première succession d’impulsions radio espacées de 1,34 seconde a été découverte (fig. 2) sur le papier déroulant enregistrant le signal. Après une courte période d’incertitude, le grand éloignement de la source (située quelque part dans notre galaxie) et la découverte d’une seconde source similaire (présentant des impulsions toutes les 1,25 seconde) ont permis de confirmer l’origine naturelle de ces signaux. Après quelques 4.05 sol 0 1 19e1ie 2. Tracé du dérouleur papier de décembre 1967, montrant l’enregistrement du pulsar CP1919 découvert par Jocelyn Bell. (Nature, 217 (1968) 709-713).
mois et quelques hésitations, ces impulsions régulières ont été interprétées comme la manifestation du passage d’un faisceau d’onde radio directif attaché à une étoile à neutrons en rotation rapide. L’évolution stellaire prédit en effet que le stade ultime d’une étoile massive (de 10 à 20 masses solaires environ), après explosion en supernova, est une toute petite étoile presque uniquement constituée de neutrons. D’un diamètre d’une vingtaine de kilomètres pour une masse de 1,4 masse solaire, elle possède souvent un très fort champ magnétique qui lui fait émettre deux faisceaux radio très directifs le long de son axe magnétique (fig. 3). À la manière d’un phare au bord de la mer, ces faisceaux balaient l’espace et « éclairent » parfois brièvement la Terre, produisant les impulsions radio observées. Notons que l’étoile à neutrons avait été imaginée dès 1934, très peu de temps après la découverte du neutron, par les astronomes Baade et Zwicky. En 1974, Antony Hewish et Martin Hyle ont obtenu le prix Nobel de physique pour leurs travaux pionniers en radioastronomie. Pour A. Hewish, ce fut pour son rôle clé dans la découverte des pulsars, en oubliant malheureusement la contribution de Jocelyn Bell (b). Un pulsar recyclé À la fin des années 1960 et au début des années 1970, les découvertes se multiplient. D’abord il est observé qu’avec la sommation de quelques centaines ou milliers d’impulsions individuelles, une impulsion moyenne très stable est obtenue, ouvrant la voie à des mesures de beaucoup plus grande précision. Ainsi, un très faible ralentissement de la rotation est maintenant mesuré au niveau de 10 -15 s/s sur tous les Avancées de la recherche 3. Vue d’artiste d’un pulsar, c’est-à-dire d’une étoile à neutrons dotée d’un champ magnétique intense et émettant deux faisceaux radio entrainés par la rotation rapide de l’étoile. Balayant l’espace, ils sont perçus sous la forme d’impulsions régulièrement espacées, à la manière d’un phare au bord de la mer. (Source  : commons.wikipedia.org, auteurs  : Mysid et Roy Smits). pulsars. Notons que certains d’entre eux peuvent présenter deux formes d’impulsions moyennes bien distinctes et permuter de l’une à l’autre aléatoirement. Certains pulsars n’émettent même plus aucun signal pendant plusieurs rotations ! En 1982, une découverte majeure est effectuée par le professeur D.C. Backer, de Berkeley, à Arecibo sur l’île de Porto Rico. Avec le plus grand télescope du monde de l’époque (300 m de diamètre), c’est un pulsar doté d’une rotation extrême de 642 tours par seconde (1,5 ms de période !) qui vient bouleverser la discipline. En effet, ce pulsar présente une période très courte comme s’il était extrêmement jeune, mais un minuscule ralentissement comme s’il était très âgé... Il est maintenant admis qu’il s’agit d’un vieux pulsar, dit « recyclé ». Ce pulsar a été membre d’un système double qui a survécu à l’explosion de la supernova qui lui a donné naissance. Lorsqu’en fin de vie, avant son explosion potentielle, la seconde étoile s’est réchauffée et a grossi, le pulsar éteint a réussi à en capter de la matière et à se réaccélérer par transfert de moment cinétique jusqu’à atteindre une vitesse de rotation de plus de 500 tours par seconde, bien supérieure à celle qu’il avait à sa « naissance ». À l’image du diagramme de Hertzsprung-Russell, qui positionne les étoiles selon leur température et luminosité, il est possible de construire un diagramme « période – dérivée dans le temps de la période » des pulsars (fig. 4), qui permet de se faire une idée générale de l’évolution de ces astres. À l’explosion des grosses étoiles, une étoile à neutrons/pulsar apparait en haut un peu à gauche du diagramme (vers 30 ms de période). Avec son champ magnétique élevé et son ralentissement important, il se déplace alors rapidement vers le centre du diagramme, là où la très grande majorité des pulsars est observée. Quand la période devient trop élevée et la dérivée de la période devient trop faible, au bout de quelques dizaines ou centaines de millions d’années, le rayonnement radio cesse et les pulsars disparaissent en bas à droite du diagramme. Comme vu précédemment, le pulsar peut se faire réaccélérer (recycler) pour réapparaître dans le coin inférieur gauche sous forme d’un pulsar en rotation extrêmement rapide et au freinage quasi inexistant (très faible valeur de la dérivée de la période  : 10 -20 s/s). » > Reflets de la Physique n°59 27



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