Département de Physique Nucléaire

Les étoiles à neutrons sont, avec les trous noirs, les objets les plus denses de l'Univers. Résultant de l'explosion d'une étoile massive, elles mesurent à peine quelques dizaines de kilomètres de rayon pour une masse similaire à celle du Soleil. La gravité à la surface d'une étoile à neutrons est gigantesque, des milliards de fois plus élevée qu'à la surface du Soleil et ces étoiles exercent une formidable attraction sur la matière qui les entourent. Lorsqu'une de ces étoiles très denses se trouve en orbite autour d'une autre étoile compagnon, les phénomènes les plus violents peuvent se déclencher. La matière du compagnon soumise à la très forte gravité, est irrésistiblement attirée vers l'étoile dense. Elle forme en général un disque de matière avant d'être précipitée à des vitesses qui se rapprochent de celle de la lumière vers la surface solide de l'étoile à neutrons où sa température atteint alors des millions de degrés. A ces températures, la lumière émise est alors sous forme de rayons X.

Lors de ses premières observations, le satellite XMM a été pointé vers une de ces étoiles particulièrement spectaculaire, La source EXO 0748-676 (ainsi nommée car elle a été découverte en 1986 aux coordonnées 7h48 et -67° par le satellite à rayons X européen EXOSAT qui a précédé XMM) rassemble en effet à elle seule presque toutes les brutales variations observées autour des étoiles à neutrons.

 

Comme une planète autour du Soleil, l'étoile compacte tourne autour d'une petite étoile ordinaire, environ deux fois moins massive que le Soleil, à une distance équivalente à seulement trois fois la distance Terre-Lune. L'orientation de son orbite dans l'espace est telle que l'on peut observer depuis la Terre une éclipse presque totale, toutes les 3h49 minutes exactement, lorque l'étoile à neutrons passe derrière son compagnon.

Le satellite XMM-Newton, qui a observé le couple de ces deux étoiles à plusieurs reprises, pendant au moins quatre heures sans interruption, a très nettement enregistré à chaque fois cette spectaculaire et régulière éclipse d'une durée de quelques huit minutes seulement, pendant laquelle le flux de rayons X émis par la source chute brutalement. Mais à la différence des satellites qui l'avait jusqu'ici précédé, les caméras EPIC (pour "European Photon  Imaging Camera") de XMM qui ont enregistré l'image de la source, possède la faculté de distinguer les rayons X selon leur énergie, et donc selon la température de la région qui les a émis, et ceci jusqu'à des jusqu'a des énergies très faibles. Lorsque les rayons X ont été selectionnés selon leur énergie, les chercheurs ont eu la surprise de découvrir que seuls les rayons X de haute énergie disparaissaient lors de l'éclipse, alors que les rayons X de plus basse énergie ne subissaient pratiquement aucune éclipse. 

 

L'étoile à neutrons n'est donc pas la seule responsable de la lumière enregistrée par XMM. En étudiant très en détail les variations du spectre des rayons X, c'est à dire leur répartition selon l'énergie, l'équipe des caméras EPIC a été capable de reconstituer pour la première fois avec précision les différentes zones du système qui émettent les rayons X.

De la durée de l'entrée et de sortie de l'éclipse, soit tout juste 5 secondes, ils ont tout d'abord pu déduire que l'intense flux de rayons X de haute énergie ne venait pas directement de la surface de la très petite étoile à neutrons mais d'une région beaucoup plus grande, d'environ 2000 kilomètres de rayon autour de l'astre compact. Selon les chercheurs, tout se passe comme si l'énorme énergie dégagée à la surface de l'étoile avait totalement vaporisé l'intérieur du disque de matière qui l'entoure, formant alors une boule de gaz très chaude plus de cent millions de degrés. L'étoile elle-même reste donc cachée au centre de ce cocon de gaz.

De l'absence d'éclipse pour les rayons X de plus basse énergie, ils ont également déduit qu'une autre région beaucoup plus vaste, d'une dimension d'environ 300 000 kilomètres, entourait encore la source centrale. Cette région, qui est trop vaste pour être éclipsée par l'étoile compagnon, semble aplatie et correspond sans doute à la surface du disque d'accrétion fortement chauffée par le rayonnement puissant s'échappant du centre. Au-dessus de la surface du disque subsiste alors un halo de gaz chaud d'une température d'environ dix millions de degrés.

Des observations du satellite XMM surgit donc une image très précise de ce système double très particulier qui émet en rayons X une énergie mille fois plus élevée que celle dégagée par le Soleil. Lors des observations EXO 0748-676, les cameras EPIC de XMM ont également enregistré à plusieurs reprises des explosions très brèves, pendant lesquelles la source dégage en quelques secondes plus d'énergie que le Soleil en dix jours. Ces explosions, déjà observées par le satellite EXOSAT, proviennet d'explosions thermonucléaires déclenchées à la surface de l'étoile à neutrons lorsque la matière qui s'accumule atteint une densité élevée. Ces explosions à répétition contribuent sans aucun doute également à l'illumination du disque qui entoure l'étoile et à la formation de ce spectaculaire halo lumineux.

 

"The eclipsing bursting X-ray binary EXO 0748-676 revisited by XMM-Newton"
    J.M. Bonnet-Bidaud , F. Haberl , P. Ferrando , P.J. Bennie, E. Kendziorra 
Astronomy & Astrophysics, special XMM Issue (Janvier 2001)  astro-ph/0011196