DEUX ÉTOILES MORTES SUR L'ORBITE LA PLUS ÉTIRÉE JAMAIS VUE

Les couples d’étoiles à neutrons — les cœurs effondrés laissés par des étoiles massives — tournent l’un autour de l’autre et perdent lentement de l’énergie en ondes gravitationnelles. Le premier a été trouvé en 1974 (PSR B1913+16) ; on en connaît aujourd’hui plus de 30. Certains finissent par fusionner, ce qui donne des événements comme GW170817 et GW190425, détectés par LIGO. Combien de ces couples survivent dans la Voie lactée, et sur quelles orbites : ce sont des questions de base pour l’astronomie des ondes gravitationnelles et pour l’histoire des étoiles doubles.

Une orbite record

PSR J0653+0443 est un pulsar — une étoile à neutrons dont le faisceau radio balaie la Terre comme un phare — qui fait un tour toutes les 47,5 millisecondes. Il a été détecté pour la première fois par le radiotélescope sphérique de 500 mètres (FAST), en Chine, le 20 novembre 2022. Il se trouve à environ 1 kiloparsec (quelque 3 000 années-lumière), dans le bras de Persée de la Galaxie.

En chronométrant ses impulsions pendant plus de deux ans, Z. L. Yang, J. L. Han et leurs collègues des Observatoires astronomiques nationaux de Chine et d’universités partenaires ont découvert qu’il tourne autour d’une autre étoile à neutrons. Les masses : 1,38 masse solaire pour le pulsar, 1,44 pour son compagnon.

L’orbite est extraordinaire :

• une période de 79,084 jours, la plus longue de tous les couples d’étoiles à neutrons connus ;
• une excentricité — 0 pour un cercle, proche de 1 pour une orbite étirée presque jusqu’à s’ouvrir — de 0,99238692 — la plus forte jamais mesurée pour un couple d’étoiles ; le record précédent, pour une étoile double ordinaire, était de 0,985 ;
• seulement 46 minutes pour passer d’un côté du compagnon à l’autre, alors que l’essentiel des 79 jours se passe au loin ;
• au plus près, une séparation de 0,83 rayon solaire, soit environ 580 000 km — moins que le rayon du Soleil —, et une vitesse relative de 1 140 kilomètres par seconde, la plus grande de tous les couples d’étoiles à neutrons connus.

Le FAST est une cuvette fixe : il ne voit qu’une bande de ciel au-dessus de lui, et le passage au plus près n’y tombe pas toujours. Entre 2025 et 2028, seuls deux tombent dans son champ : le 19 février 2025 et le 21 avril 2027. L’équipe a suivi le premier pendant deux heures, à raison d’une mesure par minute.

Une éclipse et une ellipse qui tourne

Pendant ce passage, le signal radio du pulsar a disparu 85 secondes, en passant derrière l’environnement magnétique de son compagnon. Nous voyons donc l’orbite presque par la tranche. C’est seulement la deuxième éclipse observée dans un couple d’étoiles à neutrons, après le célèbre pulsar double PSR J0737−3039A.

La relativité générale fait tourner lentement l’ellipse : c’est l’avance du périastre — le point où les deux astres sont au plus près se décale peu à peu —, mesurée ici à 0,017791 degré par an, comme prévu. Mais cette avance n’est pas régulière : elle s’accélère près du point le plus proche. Sur cette orbite presque parabolique, l’orientation de l’orbite bouge en pleine traversée, ce qui rapproche puis éloigne le pulsar de nous et avance puis retarde ses impulsions de −2,91 à +2,49 millisecondes, plus de dix fois plus que dans tout autre système de ce type.

Né d’un violent coup de pied

On pense que ces couples viennent de deux étoiles massives qui explosent l’une après l’autre. Selon les auteurs, l’excentricité extrême ne peut venir que d’un grand « coup de pied » donné à la seconde étoile à neutrons lors de l’effondrement du cœur de fer de l’étoile qui l’a engendrée. Leurs simulations suggèrent un coup de pied de plus de 400 kilomètres par seconde environ.

Ils ont aussi simulé environ un milliard de couples d’étoiles massives. Parmi les couples d’étoiles à neutrons survivants, ceux d’excentricité supérieure à 0,95 et de période comprise entre 50 et 110 jours représentent moins de 0,5 %. Pourtant, celui-ci est apparu parmi seulement 28 connus hors des amas globulaires, dans le disque de la Galaxie. Selon les auteurs, « soit nous avons beaucoup de chance, soit la théorie actuelle de l’évolution des étoiles doubles et notre compréhension des supernovæ à effondrement de cœur doivent être modifiées ».

Des bouffées d’ondes gravitationnelles

Comme les deux étoiles ne se rapprochent qu’une fois tous les 79 jours, elles émettent des ondes gravitationnelles par bouffées périodiques. L’émission culmine vers 0,357 millihertz, soit un cycle toutes les 47 minutes — la durée du passage au plus près. C’est trop faible pour les observatoires spatiaux d’ondes gravitationnelles prévus — LISA, Taiji, TianQin —, mais des projets futurs comme LISAmax pourraient la détecter en dix ans. Le couple fusionnera dans environ 2,5 milliards d’années, avec un événement semblable à GW170817.