Le champ magnétique dans l'univers - Palais de la découverte

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DÉCOUVERTE N°346 MARS 200731Le rayonnement synchrotronLe rayonnement synchrotron est lerayonnement émis par des électrons enmouvement dans un champ magnétique.Son spectre est caractéristique et diffèresensiblement de la courbe en cloche durayonnement thermique du corps noir.Examinons-le en détail et voyons quellesinformations on peut en extraire. Lorsqu’unélectron se déplace à la vitesse v dans unchamp magnétique B, il est soumis à une forceorthogonale à v et à B. Cette force lui imposeun mouvement de spirale autour des lignesdu champ magnétique. Or, une charge accéléréeémet de la lumière. Cela peut sembler curieuxde parler d’accélération alors que l’électronne voit pas sa vitesse varier en norme dansun champ magnétique. Toutefois, n’oublions pasque cette vitesse varie en direction et qu’ilexiste bien ici une accélération au sensvectoriel du terme. De manière générale,plus la vitesse des électrons est grande,plus la fréquence de la lumière qu’ils émettentest élevée. L’émission de cette lumière setraduisant par une diminution de leur énergie,les électrons ralentissent et produisent unrayonnement se décalant vers les grandeslongueurs d’onde (fig. II). Il s’ensuit qu’unesource de rayonnement synchrotron continue,comme les vestiges de supernovae, ne peutqu’être alimentée en permanence par desélectrons frais. L’énergie de ces électrons fraisdétermine la fréquence maximale v du spectre(fig. III), qui peut se situer dans l’ultravioletet même les rayons X si la source estparticulièrement puissante. La mesurede v fournit une contrainte sur les processusénergétiques à l’œuvre dans la sourcedes électrons.Trajectoireen spiralede l'électronRayonnementsynchrotronabsorbéLignes duchamp magnétiqueRayonnementsynchrotron émisvers l'extérieurLogarithme de l'intensité86420Unités arbitrairesSourced'électrons- 2- 4 - 2 0 2Logarithme de la fréquenceFIGURE IIUne source quelconque projette desélectrons dans une région où règne unchamp magnétique B.Ceux-ci se mettent à spiraler autour deslignes de champ et émettent un rayonnementabsorbé par les électrons environnants.FIGURE IIIUn exemple de spectre synchrotron.Notez l’échelle logarithmique, la brusquecoupure du spectre aux hautes énergieset le fait que le spectre ne possède pas vraimentde pic d’émissivité à la différence du spectredu corps noir.
32DÉCOUVERTE N°346 MARS 2007Les étoiles à neutronsS’il y a des objets où le magnétisme se manifestede manière exacerbée, ce sont bien lesétoiles à neutrons. Elles constituent le stadeultime des étoiles massives après leur explosionen supernovae. L’étoile à neutrons estune version exagérée de la naine blanche. Plusmassive que le Soleil, c’est une sphère d’àpeine vingt kilomètres de diamètre dont ladensité dépasse l’entendement : une cuillère àcafé de sa matière aurait une masse deplusieurs milliards de tonnes ! La gravité y estsi intense qu’elle pousse les électrons dans lesnoyaux avec pour bilan une créationde neutrons. Le champ magnétiquede ces astres estimmense et équivaut auminimum à desdizaines de milliardsde fois le champterrestre. De plus,ils tournent trèsvite. Les plusRayons Xrapides effectuentjusqu’à plusieurscentaines de tourssur eux-mêmes enune seconde. À lasurface d’une étoile àneutrons, le champélectrique est très grandet il peut en extraire desélectrons qu’il accélèrefortement près des pôlesmagnétiques. Ces électrons,se déplaçant rapidement leLignesde champAxe derotationlong des lignes de champ magnétique en s’enroulantautour d’elles, émettent un rayonnementradio dit synchrotron (se reporter à l’encadré Lerayonnement synchrotron).Le faisceau du rayonnement synchrotron esttrès étroit et suit l’axe des pôles magnétiques.Or, celui-ci n’est pas confondu avec l’axe derotation de l’étoile à neutrons. Ainsi, lors de larotation de l’étoile, le faisceau balaye l’espaceLes magnétoilesLe 5 mars 1979, dessatellites équipés deet décrit un cône. Si par chance la Terre setrouve dans la zone balayée, elle reçoit trèsrégulièrement une brève impulsion radio. Ondonne alors le nom de pulsar à cet astre(fig. 9). Le premier objet de ce type fut découverten 1967 par Bell (1943-) et Hewish(1924-). La régularité de la source d’émissionétait si stable qu’elle leur a paru suspecte etpeut-être artificielle. Malheureusement pourles amateurs d’extraterrestres, d’autressources radio périodiques furent découverteset leur origine rapidement attribuée auphénomène naturel décrit précédemment.détecteurs deAccrétiondu gaz rayons gamma –les photons lesplus énergétiquesdu spectreélectromagnétique– captèrentet enregistrèrentdans le ciel unecolossale émissiongamma dont le pic,décroissant rapidementen intensité, présentait dessursauts toutes les cinqsecondes. À ce jour, lesastronomes ont recenséquatre événements différentsde ce type. Ils purent aussi montrer qu’àl’émission de rayons gamma s’ajoutait un fluxde rayons X moins énergétiques et que leurétaient associés des vestiges de supernovae.Pendant plus de dix ans, les théoriciens nesurent expliquer ces phénomènes mystérieuxmais ils soupçonnaient l’implication desétoiles à neutrons. Leur interprétation futapportée par Robert Duncan et ChristopherFIGURE 9Structure d’un pulsar.Axe du champmagnétique
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