Au début des années 1930, l’astronomie vit une période étrange : les télescopes révèlent des phénomènes violents, mais personne ne comprend vraiment ce qui se passe. Des étoiles semblent exploser avec une puissance inimaginable, bien plus forte que celle des « novæ » connues depuis le XIXᵉ siècle. Ces explosions sont si lumineuses qu’elles rivalisent avec l’éclat d’une galaxie entière.
En 1934, deux astronomes installés au Mont Wilson en Californie, un américain d’origine allemande Walter Baade et un suisse d’origine bulgare Fritz Zwicky, décident de regarder ces objets autrement. Ils les baptisent d’un nom nouveau : supernovæ. Dans leur article fondateur, ils écrivent[i] :
« Nous avançons avec réserve que la supernova représente la transition d’une étoile ordinaire en une étoile à neutrons. »
Cette phrase, presque discrète, est l’une des plus audacieuses de l’histoire de l’astrophysique.
Un univers qui explose
Les supernovæ ne sont pas des étoiles qui brillent un peu plus que d’habitude : ce sont des catastrophes cosmiques. Baade, l’inlassable et sage travailleur, et Zwicky, l’excentrique aux intuitions géniales — il disait de ses collègues qu’ils étaient des crétins sphériques, car invariants par rotation — remarquent que leur luminosité est des millions de fois supérieure à celle d’une nova classique. Ils calculent l’énergie libérée et obtiennent un résultat vertigineux : pour expliquer une telle explosion, il faut que l’étoile libère une fraction significative de son énergie de masse, l’équivalent de ce que suggère l’équation d’Einstein, E = mc². Ils écrivent :
« La masse peut être annihilée en bloc. »
À l’époque, cette idée est presque sacrilège car personne n’imagine qu’une étoile puisse convertir une partie de sa masse en énergie de manière explosive. De plus, Baade et Zwicky remarquent également que les rayons cosmiques — ces particules ultra-énergétiques qui bombardent la Terre — ont une énergie comparable à celle libérée dans une supernova. Ils écrivent :
« Nous avançons l’hypothèse que les rayons cosmiques sont produits dans le processus de supernova. »
C’est une intuition géniale, car aujourd’hui, nous savons que les supernovae sont effectivement les principales sources de rayons cosmiques dans la galaxie.
Vers l’étoile à neutrons
Dès 1929, Edward Milne s’était intéressé au délicat problème posé par les naines blanches. La première description très explicite de l’idée d’explosions stellaires associées à un effondrement vers une configuration dense se trouve dans la communication de Milne lors de la réunion de la British Association d’octobre 1931[ii].
En 1932, James Chadwick découvre le neutron, une particule neutre, capable de pénétrer les noyaux atomiques sans être repoussée par les charges électriques[iii], voir l’article sur le site. En 1933, le jeune théoricien méconnu Theodore E. Sterne, relie le processus de formations de neutrons au sein d’étoiles compactes à une énorme libération d’énergie[iv], voir l’article sur le site.
Baade et Zwicky comprennent immédiatement que cette particule change tout. Si une étoile s’effondre, les électrons et les protons peuvent être comprimés jusqu’à fusionner en neutrons. Une étoile composée presque uniquement de neutrons serait minuscule, de l’ordre de quelques dizaines de kilomètres de diamètre, extrêmement dense puisqu’une cuillère de matière pèserait des milliards de tonnes et donc dotée d’une énergie gravitationnelle gigantesque. Ils appellent cet objet une neutron star, une étoile à neutrons[v]. Baade et Zwicky imaginent un scénario audacieux :
- Une étoile massive arrive en fin de vie.
- Son cœur s’effondre brutalement sous son propre poids.
- Les protons et électrons fusionnent en neutrons.
- L’étoile devient un noyau compact : une étoile à neutrons.
- L’énergie gravitationnelle libérée par cet effondrement provoque l’explosion : la supernova.
C’est une idée révolutionnaire. Elle relie la physique nucléaire, la gravitation, et l’astronomie dans un même récit. Mais en 1934, l’idée d’une étoile à neutrons est tellement nouvelle que presque personne n’y croit. Il faudra attendre 1939 avec les calculs d’Oppenheimer & Volkoff, 1967 et la découverte des pulsars, et enfin 1968, quand Thomas Gold comprend que les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation, pour que la communauté scientifique accepte enfin l’existence de ces objets[vi].
Baade et Zwicky ne font aucune mention de Landau, de Chandrasekhar ou de tout autre travail portant sur la masse maximale des naines blanches[vii]. Établir un lien quelconque aurait nécessité une connaissance bien plus approfondie de la théorie nucléaire et des réactions nucléaires. Quoi qu’il en soit, aucun rapport n’avait alors été établi entre ces deux types d’objets compacts : les naines blanches et les hypothétiques étoiles à neutrons. En tant qu’astronomes, ils ont identifié l’existence d’une classe particulière d’étoiles, les supernovæ, qui, durant plusieurs semaines, rayonnent autant d’énergie qu’une galaxie entière. Baade et Zwicky avaient vu juste, trente ans trop tôt. Ils ont compris que les étoiles pouvaient mourir de manière spectaculaire, et renaître sous une forme totalement nouvelle.
Aujourd’hui, les étoiles à neutrons sont au cœur de l’astrophysique moderne : elles produisent des ondes gravitationnelles, des champs magnétiques titanesques, des pulsars, et même — lors de leur fusion — les éléments lourds comme l’or et le platine.
[i] Baade W., & Zwicky F., Cosmic Rays from Super-Novae, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 20 (5) 259-263 (1934). https://doi.org/10.1073/pnas.20.5.259
[ii] Milne E., Contributions to a British Association Discussion on the Evolution of the Universe. Nature 128, 715–717 (1931). https://doi.org/10.1038/128715a0
[iii] Chadwick J., Possible Existence of a Neutron. Nature 129, 312 (1932). https://doi.org/10.1038/129312a0
[iv] Sterne T. E., Fowler R. H. , The Equilibrium of Transmutations in Stars in Which Transmutations are an Important Source of Energy, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 93, Issue 9, July 1933, Pages 770–776, https://doi.org/10.1093/mnras/93.9.770
[v] Baade W., & Zwicky F., Remarks on Super-Novae and Cosmic Rays. Physical Review 46 (1): 76-77 (1934). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.46.76.2
[vi] Burrows A.S., Baade and Zwicky: “Super-novae,” neutron stars, and cosmic rays, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 112 (5) 1241-1242, (2015). https://doi.org/10.1073/pnas.1422666112
[vii] Bonolis, L. Stellar structure and compact objects before 1940: Towards relativistic astrophysics. EPJ H 42, 311–393 (2017). https://doi.org/10.1140/epjh/e2017-80014-4
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