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Une étoile à neutrons est le résidu compact laissé par l'effondrement du cœur d'une étoile massive : plus que la masse du Soleil dans une boule de quelques dizaines de kilomètres. Ce quiz parcourt leur histoire, de la découverte du neutron aux premiers pulsars, leur structure en couches, la mesure de leur masse dans les pulsars binaires et la fusion observée le 17 août 2017. Les questions vont du plus accessible au plus pointu, chacune avec une courte explication.
Les 30 questions avec réponses et explications. Jouer au quiz
Q 01Quel physicien a découvert le neutron en 1932 ?
James Chadwick
L'idée d'astres faits de neutrons est née aussitôt après cette découverte, mais il a fallu attendre 1967 pour en observer un, sous la forme d'un pulsar.
Q 02Quelle étudiante d'Antony Hewish a découvert en 1967 le premier pulsar, PSR B1919+21 ?
Jocelyn Bell
C'est seulement grâce à cette émission pulsée que l'étude des étoiles à neutrons a pris son essor, bien après leur invention sur le papier.
Q 03À quel objet microscopique, en version géante, compare-t-on souvent une étoile à neutrons ?
un noyau atomique
La comparaison a ses limites : la cohésion de l'astre est due à la gravitation, et il est structuré en couches de composition et de densité différentes.
Q 04Quel « effet » fait qu'un observateur bien placé voit pulser l'émission d'un pulsar ?
phare
Un mince pinceau de radiations part le long de l'axe magnétique de l'astre ; on ne le capte que si l'on se trouve à peu près dans sa direction.
Q 05Quel est, en kilomètres, le diamètre d'une étoile à neutrons ?
20 à 40
Dans ce volume minuscule tient pourtant une masse supérieure à celle du Soleil : le résidu compact n'a d'étoile que le nom.
Q 06Quel élément incapable de fusionner compose le cœur d'une étoile massive avant qu'il s'effondre ?
fer
À ce stade, la pression ne peut plus équilibrer la gravité : le cœur se contracte et ses constituants se transforment en neutrons.
Q 07Quelle hauteur les montagnes d'une étoile à neutrons ne peuvent-elles pas dépasser ?
quelques centimètres
Au-delà, le relief s'effondrerait sous son propre poids, tant le champ de gravitation est intense : ces astres sont des objets extrêmement sphériques.
Q 08À quelle cadence une étoile à neutrons tourne-t-elle sur elle-même à sa naissance ?
plusieurs dizaines de tours par seconde
Elle naît aussi avec un champ magnétique très intense : rotation rapide et magnétisme sont les deux ingrédients de l'émission pulsée.
Q 09Dans quel rémanent de la supernova historique SN 1054 un pulsar a-t-il été identifié ?
Nébuleuse du Crabe
Cette identification a prouvé que les étoiles à neutrons sont bien produites lors de l'explosion des supernovæ, comme on le supposait depuis les années 1930.
Q 10Quel type d'évènement lumineux est AT 2017gfo, né d'une fusion d'étoiles à neutrons en 2017 ?
kilonova
Repéré une dizaine d'heures après le signal d'ondes gravitationnelles, cet évènement transitoire a vu son spectre évoluer rapidement vers le rouge.
Q 11Quelle interaction entre nucléons, répulsive à haute densité, soutient une étoile à neutrons ?
forte
C'est elle qui empêche l'astre de s'effondrer davantage, alors que sa cohésion, elle, est due à la gravitation.
Q 12Quelle collaboration a annoncé le signal GW170817 aux côtés de LIGO, le 16 octobre 2017 ?
Virgo
Le signal avait été détecté le 17 août 2017 sur les trois sites, deux mois avant l'annonce publique.
Q 13Pour quelle planète Albert Einstein a-t-il calculé la précession relativiste du périastre ?
Mercure
Ce calcul expliquait des irrégularités de l'orbite restées incomprises ; le même effet se mesure aujourd'hui, bien plus marqué, dans les pulsars binaires.
Q 21Avec qui Joseph Taylor a-t-il reçu le Nobel de physique pour le pulsar binaire PSR B1913+16 ?
Russell Alan Hulse
Les deux découvreurs ont mis en évidence le rayonnement gravitationnel de ce couple d'astres, dont la période orbitale baisse peu à peu.
Q 22Quel télescope spatial a suggéré que la fusion du 17 août 2017 avait laissé un trou noir ?
Chandra
Le flux de rayons X mesuré serait faible pour une étoile à neutrons ; avec une masse estimée à 2,74 masses solaires, la nature de l'objet reste indéterminée.
Q 23La croûte externe d'une étoile à neutrons a la même composition que l'intérieur de quel astre ?
naine blanche
Q 14Dans quel domaine rayonne une étoile à neutrons qui arrache de la matière à sa compagne ?
rayons X et gamma
Cette émission peut être pulsée ou continue ; hors pulsars, c'est surtout par de telles sources binaires que l'on repère ces astres.
Q 15Comment appelle-t-on les brusques variations de la vitesse angulaire d'un pulsar ?
glitches
Avec le ralentissement progressif de l'astre, ces sursauts renseignent sur l'ordre de grandeur de son champ magnétique et sur l'état de son intérieur.
Q 16Combien de masses solaires pesait la supergéante dont le cœur devient une étoile à neutrons ?
8 à 40
Trop légère, l'étoile ne connaît pas un tel effondrement ; trop lourde, elle donne naissance à un trou noir.
Q 17Dans quel état se trouvent les neutrons qui composent l'intérieur d'une étoile à neutrons ?
superfluide
On y trouve aussi, en proportions plus modestes, des protons et des électrons ; la région la plus centrale reste, elle, mal connue.
Q 18Quel signal reste seul décelable pour une étoile à neutrons isolée qui ne pulse pas ?
son émission thermique de surface
Un tel astre est donc nettement plus difficile à détecter, et la grande majorité des étoiles à neutrons connues l'ont été sous la forme de pulsars.
Q 19En quelle année Albert Einstein a-t-il prédit l'existence des ondes gravitationnelles ?
1916
Leur première mise en évidence est venue d'un pulsar binaire, dont l'orbite s'use lentement ; l'observation directe a attendu 2015.
Q 20Environ combien d'étoiles à neutrons étaient connues en 2019 ?
3 000
Plus de 2 700 d'entre elles avaient été détectées sous la forme de pulsars, les autres sous la forme de sources de rayons X.
On y trouve des noyaux très ionisés et des électrons libres ; plus bas, la densité croissante enrichit peu à peu ces noyaux en neutrons.
Q 24De quels trois quarks un neutron est-il constitué ?
udd
Le quark « up » porte une charge égale aux 2/3 de celle du proton, le quark « down » une charge de -1/3 : leur somme est nulle dans le neutron.
Q 25Grâce à quelles sondes posées sur Mars l'effet Shapiro, prédit en 1964, a-t-il été détecté ?
Viking
Cet effet modifie l'intervalle entre les pulsations reçues d'un pulsar dont les signaux passent près d'un compagnon, et donne la masse de ce dernier.
Q 26Quel télescope spatial a capté le sursaut gamma GRB 170817A avec son instrument GBM ?
Fermi
Le sursaut est arrivé environ 1,74 seconde après le début du signal d'ondes gravitationnelles ; l'observatoire INTEGRAL l'a enregistré lui aussi.
Q 27Dans quelle galaxie s'est produite la fusion d'étoiles à neutrons détectée le 17 août 2017 ?
NGC 4993
L'évènement y a été détecté à la fois sous forme d'ondes gravitationnelles et sous forme lumineuse, ce qui n'était jamais arrivé auparavant.
Q 28Combien d'observatoires, au sol et dans l'espace, ont suivi la fusion GW170817 d'août 2017 ?
70
Ces observatoires s'ajoutaient aux détecteurs d'ondes gravitationnelles eux-mêmes ; jamais un tel signal n'avait eu de contrepartie électromagnétique.
Q 29Lequel de ces nombres est un « nombre magique » de la physique nucléaire ?
82
Les noyaux qui comptent un tel nombre de protons ou de neutrons sont plus stables, ce qui pèse sur la composition de la croûte des étoiles à neutrons.
Q 30Quel mécanisme de nucléosynthèse a forgé des éléments lourds lors de la fusion du 17 août 2017 ?
processus r
Les spectres ultraviolet, visible et proche infrarouge l'ont montré : une part significative des éléments lourds serait produite par de telles fusions.