Discovery of Three Glitches in the previously quiet pulsar PSR J1637$-$4642

Au plus profond du cosmos, tournant comme des phares cosmiques, se trouvent les étoiles à neutrons. Ce sont les noyaux effondrés d'étoiles massives qui ont explosé, laissant derrière elles des objets si denses qu'une seule cuillère à thé de leur matière pèserait des milliards de tonnes sur Terre. En tournant, elles émettent des faisceaux de rayonnement qui balaient le ciel avec la précision d'une horloge. Depuis des décennies, les astronomes utilisent ces horloges célestes pour tester les lois de la physique, mais les plus fascinantes sont les étoiles jeunes et énergiques qui se comportent parfois de manière erratique. Occasionnellement, une étoile à neutrons accélère soudainement sa rotation dans un petit sursaut brusque appelé « glitch » (ou saut de fréquence). Ce phénomène n'est pas un dysfonctionnement, mais un indice sur l'intérieur caché de l'étoile. Les scientifiques pensent qu'à l'intérieur de ces étoiles existe un superfluide — une substance qui s'écoule sans aucune friction — aux côtés de la croûte solide. Lorsque la croûte solide ralentit naturellement au fil du temps, le superfluide sans friction à l'intérieur continue de tourner à sa vitesse d'origine. Finalement, les deux se désynchronisent, et le superfluide transfère soudainement une partie de sa vitesse à la croûte, faisant tourner l'étoile plus rapidement. En étudiant ces glitches, les chercheurs peuvent scruter l'intérieur d'une étoile qu'ils ne pourront jamais toucher, apprenant ainsi l'existence de cet état étrange de la matière qui n'existe que sous une telle pression extrême.

Pendant de nombreuses années, une étoile à neutrons particulière, connue sous le nom de PSR J1637–4642, a été considérée comme exceptionnellement calme. Découverte lors d'un relevage utilisant le radiotélescope Parkes en Australie, cette jeune étoile avait été surveillée régulièrement pendant plus d'une décennie sans montrer de signes de ces accélérations soudaines. Elle faisait partie d'un groupe de pulsars qui semblaient ralentir de manière régulière, n'offrant aucun événement spectaculaire à étudier. Cependant, une nouvelle analyse de données collectées entre 2009 et 2024 a renversé ce tableau de calme apparent. Les chercheurs ont maintenant découvert que cette étoile « calme » a en réalité connu trois glitches distincts durant cette période. Le premier et le plus puissant événement s'est produit vers le début de l'année 2019, où la fréquence de rotation de l'étoile a bondi d'un montant infime mais mesurable. Deux sauts plus petits et plus subtils ont suivi, l'un en 2022 et l'autre en 2024. Le fait que ces événements aient été découverts dans une étoile auparavant jugée inactive suggère que même les étoiles à neutrons les plus placides peuvent abriter une activité interne significative, attendant le moment opportun pour relâcher le stress accumulé.

L'équipe derrière cette découverte, basée à l'Université de Xiamen en Chine, a passé des années à affiner les données du télescope Parkes, qui s'appelle désormais Murriyang. Ils ont dû passer méticuleusement au crible des années d'observations, en tenant compte des changements de l'équipement du télescope et en filtrant les interférences provenant des propres signaux radio de la Terre. Leur travail a révélé que le premier glitch était un événement majeur, provoquant une augmentation soudaine du taux de rotation environ un million de fois plus grande que les deux autres. Après ce grand bond, la rotation de l'étoile ne s'est pas immédiatement stabilisée à son ancien rythme. Au lieu de cela, elle a montré une récupération exponentielle lente sur une période d'environ 100 jours, revenant progressivement vers un nouveau rythme légèrement plus rapide. Les deux glitches plus petits, par contraste, étaient si subtils que la rotation de l'étoile semblait bondir à sa nouvelle vitesse et y rester immédiatement, sans ralentissement détectable par la suite. Cette différence de comportement a offert aux scientifiques une occasion unique de modéliser ce qui se passait à l'intérieur de l'étoile.

En appliquant un modèle physique qui décrit comment un superfluide se déplace à travers l'intérieur de l'étoile, les chercheurs ont pu estimer la taille de la région de superfluide impliquée dans le grand glitch. Leurs calculs suggèrent que la partie de l'intérieur de l'étoile qui a participé à l'accélération représente environ 1,9 % de la masse totale de l'étoile. Cette fraction concorde parfaitement avec les prédictions théoriques pour une couche de neutrons superfluides située juste sous la croûte solide de l'étoile. Le modèle a également indiqué que la température interne de l'étoile est probablement d'environ cent millions de degrés, une valeur cohérente avec l'âge de l'étoile et la façon dont elle s'est refroidie au fil du temps. Le fait que l'étoile ait montré une augmentation permanente de sa vitesse de ralentissement après le glitch soutient davantage l'idée que le superfluide et la croûte s'étaient reconnectés de manière permanente d'une nouvelle façon.

Cette découverte remet en question l'idée simple selon laquelle les étoiles à neutrons accumulent du stress de manière prévisible et constante avant de subir un glitch. Si cela était vrai, on pourrait s'attendre à ce que les glitches se produisent à des intervalles réguliers ou avec des tailles similaires. Au lieu de cela, PSR J1637–4642 a attendu près de dix ans en silence, puis a libéré trois événements de magnitudes très différentes en succession rapide. Le plus grand événement était mille fois plus important que le plus petit, et ils se sont produits à des moments irréguliers. Cela suggère que le processus déclenchant ces glitches est complexe et peut-être quelque peu aléatoire, dépendant des interactions complexes et chaotiques au plus profond du noyau de l'étoile. Bien que les chercheurs ne puissent pas encore prédire quand le prochain glitch aura lieu, leur travail prouve que même les étoiles qui semblent calmes en surface sont dynamiques et actives à l'intérieur. L'étude renforce la vision standard selon laquelle les étoiles à neutrons contiennent des superfluides et que ces fluides sont la clé pour comprendre les changements de rotation violents et soudains que les astronomes observent à travers la galaxie.