Les champs magnétiques des étoiles à neutrons

Une étude réalisée par les physiciens Konstantinos Gourgouliatos et Andrew Cumming, de l’Université McGill, jette un nouvel éclairage sur la géométrie attendue du champ magnétique dans les étoiles à neutrons. Les résultats de ces travaux, qui ont fait l’objet d’un article publié en ligne le 29 avril 2014 dans la revue spécialisée Physical Review Letters, pourraient aider les scientifiques à mesurer la masse et le rayon de ces corps stellaires inhabituels et, de ce fait, contribuer à une meilleure compréhension de la physique de la matière à des densités extrêmes.

Les résultats d’études théoriques réalisées précédemment suggèrent que le champ magnétique d’une étoile à neutrons devrait se fractionner en petites boucles et se dissiper au fil du temps – un phénomène appelé « cascade turbulente ». Or, plusieurs étoiles à neutrons « d’âge moyen » (d’un à quelques millions d’années environ) possèdent des champs magnétiques relativement puissants, ce qui laisse les scientifiques dans l’impossibilité de concilier les modèles théoriques et les observations réelles.

Afin de mieux comprendre comment le champ magnétique se transforme au fur et à mesure que l’étoile à neutrons vieillit, Konstantinos Gourgouliatos et Andrew Cumming ont eu recours à une série de simulations sur ordinateur qui ont révélé que le champ magnétique évoluait d’abord rapidement, conformément aux prédictions précédentes. Puis, l’évolution du champ magnétique a pris une tournure inattendue : dans toutes les simulations, peu importe l’apparence du champ magnétique lors de la naissance de l’étoile à neutrons, ce dernier présentait une structure particulière et son évolution ralentissait de façon spectaculaire.  

« On peut comparer une cascade dans un champ magnétique au phénomène qui se produit lorsqu’on ajoute de la crème dans un café et qu’on agite le liquide à l’aide d’une cuillère : la crème se fractionne rapidement et se mélange au café », explique le professeur Cumming. « Selon la prédiction initiale, les croûtes de l’étoile à neutrons exerceraient le même effet sur leurs champs magnétiques; ainsi, si on pouvait marcher sur la surface de l’étoile avec une boussole en tentant de se diriger vers le nord magnétique, on finirait par marcher dans toutes les directions. Or, ces nouvelles simulations nous ont permis de découvrir que la structure du champ magnétique demeure relativement simple – comme si la crème refusait de se mêler au café – et, en fait, il serait alors possible d’utiliser une boussole pour se déplacer sur la surface stellaire. »

Les chercheurs de McGill ont appelé « attracteur Hall » cette configuration finale du champ magnétique, faisant ainsi référence à l’effet Hall qui, selon les astrophysiciens, déterminerait l’évolution du champ magnétique dans les croûtes stellaires. « Les résultats que nous avons obtenus ont également une portée significative, car ils montrent que l’effet Hall – phénomène observé pour la première fois dans des matériaux terrestres et qui contribuerait à réduire le champ magnétique sous l’effet de la turbulence – peut bel et bien donner lieu à un état d’attraction doté d’une structure de champ magnétique stable », affirme Konstantinos Gourgouliatos.

Ces travaux ont été financés par le Centre de recherche en astrophysique du Québec et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.

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Hall Attractor in Axially Symmetric Magnetic Fields in Neutron Star Crusts, Konstantinos N. Gourgouliatos et Andrew Cumming, Physical Review Letters, publié le 29 avril 2014. 
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.171101