La dimension de la région émettant le signal électromagnétique peut être estimée grâce à la durée de l’impulsion. En effet, l’arrivée des ondes émises par deux régions différentes est décalée de la durée du trajet lumineux entre ces deux régions. Puisque l’on reçoit un signal durant τ secondes, la durée du trajet est inférieure à τ. Comme les ondes se propagent à la vitesse c de la lumière, la dimension de la région émettrice est donc au maximum soit à peu près 10 km. Parmi les objets célestes connus, seules une planète ou une étoile très condensée (naine blanche ou étoile à neutrons) ont des dimensions aussi faibles.

Grâce à l’étude de l’absorption et de la dispersion du signal du pulsar dans l’espace interstellaire, on a pu estimer la distance de ces objets et ainsi la quantité d’énergie qu’ils émettent. Ce sont des objets de la Galaxie, assez concentrés le long du plan galactique.

D’autre part, on a pu mettre en évidence un ralentissement régulier du pulsar avec des accidents soudains. C’est ainsi que la période P du pulsar du Crabe, qui décroît régulièrement de 0,02 ms par an, a brutalement augmenté, le 28 septembre 1969, de ΔP = 7.10^–9 P, puis pendant quelques jours, a décru exponentielle-ment pour reprendre le même taux que précédemment.

L’ensemble de ces propriétés a conduit à penser :
1^o que l’objet ne peut pas être une planète, l’énergie rayonnée étant trop importante ;
2^o qu’il ne peut pas non plus être une naine blanche, ces étoiles n’étant pas suffisamment condensées pour être le siège de phénomènes de périodes aussi courtes ;
3^o qu’il peut s’agir d’une étoile à neutrons en rotation, à la manière d’une sorte de phare tournant qui, à chaque période, balaie la Terre.

Les étoiles à neutrons existent depuis longtemps dans l’imagination des physiciens théoriciens. On peut, en effet, supposer qu’à la fin de leur vie certaines étoiles subissent une explosion qui souffle les couches extérieures et, en revanche, comprime violemment les régions centrales. Un tel phénomène peut être associé aux « supernovae ». Le noyau central formé, très dense, serait composé essentiellement de neutrons ; seules les couches les plus extérieures seraient constituées d’un gaz d’éléments lourds. La grande vitesse de rotation est due à la petite dimension de l’étoile formée. En effet, si l’on imagine que l’on comprime le Soleil jusqu’à la dimension d’une étoile à neutrons et si l’on suppose que la plus grande partie du moment angulaire du Soleil se retrouve dans l’étoile condensée, on calcule une période de rotation de 0,1 ms. Au fur et à mesure que l’énergie de la rotation se dissipe, l’étoile se ralentit. La diversité des périodes relevées fait penser que les objets observés ont été formés à différentes époques et que les objets de périodes plus courtes sont les plus jeunes.

Si l’étoile à neutrons formée tourne très vite, elle prend sous l’action de la force centrifuge une forme allongée autour de l’équateur. Sa température étant probablement très élevée, elle va se refroidir. Les régions les plus extérieures et les moins denses, composées d’électrons et de noyaux d’éléments lourds, comme le fer par exemple, deviennent solides au cours du refroidissement en formant une sorte de croûte. L’épaisseur de cette croûte, sous laquelle la matière, composée essentiellement de neutrons, reste fluide, dépend de la masse totale de l’étoile. Au cours du ralentissement, la force centrifuge diminue et le fluide tend à se rapprocher de la forme sphérique. Cela entraîne des tensions sur la croûte, qui résiste tant que l’effort ne dépasse pas la limite supportable par son réseau cristallin. Quand il le dépasse, le réseau se brise, un « tremblement » de l’étoile se produit, celle-ci se déforme et la variation de son moment d’inertie conduit à une variation rapide de la période telle qu’on l’observe.

Reste à expliquer l’origine du rayonnement électromagnétique du « phare » observé. Probablement le plus étudié, ce domaine reste le moins bien établi. L’énergie émise est tellement élevée qu’il ne peut s’agir que d’un phénomène d’émission cohérente. Dans le modèle décrit, étoile à neutrons à fort champ magnétique dipolaire à l’extérieur dont l’axe est incliné sur l’axe de rotation, les particules chargées de la surface de l’étoile ne sont pas en équilibre : la force électrostatique, supérieure à la force gravitationnelle, les entraîne le long des lignes du champ magnétique dans une région proche, entourant l’étoile, en rotation avec elle et appelée magnétosphère. Cette région est limitée par le « cylindre lumière » situé à une distance de l’axe de rotation pour laquelle les particules auraient la vitesse de la lumière. Cette distance est comprise entre 1 000 et 100 000 km. La plupart des mécanismes de rayonnement proposés sont associés à cette région. Il en existe notamment deux types :
— les mécanismes d’antennes, qui supposent l’existence de paquets de particules émettant de façon cohérente,
— les mécanismes d’amplification masers, dus à une inversion de population ou une instabilité du plasma.

La plupart des modèles donnent une interprétation du rayonnement radio à partir de l’émission synchroton des particules chargées de la magnétosphère, mais de grandes difficultés apparaissent pour rendre compte des rayonnements optique, X et γ.

Dans le domaine des pulsars, la richesse des observations est extrêmement grande. Les travaux des théoriciens n’ont pas encore pu les utiliser toutes. Cependant, ces nouveaux objets ont déjà fait l’objet de nombreuses études qui font progresser la physique fondamentale et nos connaissances de l’univers galactique.

A. B.

➙ Astronomie / Étoile / Galaxie / Radioastronomie.