Les étoiles à neutrons, détectées pour la première fois en 1967 sous forme de radiopulsars, sont de fantastiques objets issus d'explosions stellaires qui ont failli donner naissance à un trou noir.
Une étoile à neutrons est créée par la force que l'explosion d'une supernova applique à une grande étoile dont elle écrase le noyau pour le porter à une densité inimaginable. Une masse plus grande que celle du Soleil se trouve ainsi comprimée dans une boule qui n'est guère plus grande qu'une ville. La pesanteur et les champ magnétiques sont des milliards de fois plus intenses que ceux de la Terre. L'étoile à neutrons tourne rapidement sur elle-même et de ce fait clignote à la façon d'un phare cosmique lorsqu'elle expose et cache alternativement ses pôles magnétiques à la Terre. Ce type d'étoile à neutrons en rotation rapide est appelé pulsar. Un des plus célèbres est celui de la nébuleuse du Crabe, reste d'une supernova qui a explosé, au terme de son évolution stellaire, en l'an 1054.
Lors de sa formation avec l'explosion d'une supernova, l'étoile à neutron est dotée de deux principales formes d'énergie. La première est la chaleur, une température qui se chiffre par millions de degrés, que l'étoile à neutrons émet principalement sous forme de rayons X et dont seule une faible proportion émerge sous forme de lumière visible. La seconde provient de la rapidité de sa rotation sur elle-même, et du ralentissement progressif de celle-ci. En raison d'une série de processus où interviennent le champ magnétique et les particules accélérées à proximité de l'étoile à neutrons, l'énergie de sa rotation sur elle-même est convertie en rayonnement dans de nombreuses longueurs d'onde différentes allant des ondes radios aux rayons gamma.
C'est le cas de Geminga qui a pourtant la particularité de ne pas être détectable par ses pulsations radio mais l'est en raison de la puissance de son rayonnement gamma évalué à 15 % de son rayonnement total.
Bien que Geminga soit la deuxième source la plus intense dans l'émission des rayons gamma (ondes électromagnétiques correspondant aux plus hautes énergies et témoignant des conditions les plus extrêmes et violentes existant dans l'Univers), son image optique est extrêmement faible, ce qui a empêché longtemps les spécialistes de cerner la véritable nature de cet objet énigmatique qui ne cessait pas d'alimenter d'âpres débats. Dans les années quatre-vingt, certains allèrent jusqu'à la soupçonner de faire "vibrer" notre bon vieux Soleil! Il s'en est suivi une longue traque particulièrement riche en rebondissements.
Geminga fut d'abord découverte en 1974, comme étant une source puissante de rayons gamma, grâce à des instruments placés à bord du satellite américain SAS-2, lancé en 1972, puis par ceux du satellite européen COS-B, lancé en août 1975, la localisant dans le ciel avec une précision de 0,8°.
Surnom de la désignation technique 2CG 195+04, Geminga est une contraction dérivée de l'expression anglaise "Gemini gamma-ray source". Le hasard veut que Geminga signifie aussi phonétiquement "il n'y a rien" en patois milanais.
Les instruments de l'époque avaient bien enregistré cette énergie gamma sans pouvoir la localiser de façon assez précise. Il était donc impossible d'arriver à identifier l'image optique de Geminga parmi celles reçues par des milliers d'objets se trouvant dans la région du ciel où avait été détectée la source de rayons gamma.
Il fallut attendre 1983 pour que Giovanni F. Bignami et ses collaborateurs à Milan arrivent à préciser l'emplacement de Geminga dans le rayonnement X grâce aux observations des satellites Einstein (NASA) et Exosat (ESA), ce qui limita sensiblement l'aire du ciel où il fallait rechercher son rayonnement optique. De longues expositions de ce coin de ciel furent réalisées au moyen de cameras CCD très sensibles, d'abord, en janvier 1984 avec le télescope franco-canadien de Hawaii, puis, en février 1986, au télescope américain du mont Palomar.
Ces photos montraient la présence de nombreuses images stellaires très faibles. Une d'entre elles avait une couleur plus bleue que toutes les autres étoiles du champ photographié. Son intensité lumineuse correspondait à la magnitude 25,5, c'est-à-dire à peu près 100 millions de fois plus faible que ce qui peut être perçu à l'œil nu, ce qui est comparable à la lumière d'une bougie placée sur la Lune. Restait à faire la preuve que cette source bleue était l'image optique de Geminga.
Suivant ces différentes indications, il devint évident que Geminga devait être un objet très particulier comme une étoile à neutrons, objet très compact, ayant une masse comparable à celle du Soleil pour un diamètre de 10 à 20 km, ce qui peut donner une masse volumique moyenne de l'ordre de 100 millions de tonnes par cm³. Ce n'est pas facile à imaginer.
Début 1992, les chercheurs découvrirent de faibles variations d'intensité dans les émissions gamma et X reçues de l'objet pouvant être Geminga et confirmèrent que cette étoile à neutrons se comportait bien comme un pulsar, sans pour autant observer d'émission en onde radio généralement associée à ce type d'objet et sans mettre en évidence une nébuleuse (reste de l'explosion de la supernova) dans son voisinage.
Il manquait encore aux astrophysiciens une observation cruciale, celle qui permet de donner la distance qui nous sépare de l'objet énigmatique dont la proximité peut être envisagée dans le cas d'une étoile à neutrons.
C'est bien connu, plus un objet est proche d'un observateur, plus son mouvement lui paraît rapide. Il suffit de prendre le train et de regarder par la fenêtre pour observer le défilement rapide des poteaux électriques proches par rapport à une vitesse plus lente de tout ce qui défile dans un plan moyen et pour une impression de quasi immobilité de l'arrière-plan. Ce phénomène est aussi valable dans l'espace. Plus un objet est proche et plus il paraît bouger rapidement, ceci par rapport à d'autres objets célestes beaucoup plus distants.
Les premières bonnes observations réalisées furent possibles lorsque les chercheurs européens de l'ESO (European Southern Observatory), à La Silla au Chili, découvrirent, puis mesurèrent avec précision, le mouvement de l'objet étudié depuis déjà si longtemps, les renforçant dans leur conviction que Geminga était plus que probablement une étoile à neutrons assez proche de nous, de l'ordre de 300 années de lumière, soit guère plus éloignée que la belle étoile qu'est l'Epi (Spica) dans la constellation de la Vierge.
Le 5 novembre 1992 fut un jour faste pour la connaissance de Geminga et pour l'astronomie liégeoise. Alain Smette, de Institut d'Astrophysique et de Géophysique de l'Université de Liège, travaillant à l'Observatoire de La Silla, réalisa en onde optique une dizaine d'expositions du champ de Geminga au moyen du fameux NTT (Télescope de Nouvelle Technologie) et dans de très bonnes conditions.
Ses images furent alors comparées avec celles réalisées en janvier 1984 et aussi avec une image plus récente obtenue avec un autre télescope de l'ESO, en janvier 1987, par des astronomes italiens. L'évidence éclata. Par rapport aux autres objets dans le champ d'observation, Geminga avait bougé! La direction du mouvement va vers le Nord-Est. La distance couverte par Geminga entre janvier 84 et novembre 92 est de l'ordre de 1,5 seconde d'arc. En d'autres termes, Geminga bouge avec une vitesse relativement grande et inhabituelle de 0,2 seconde d'arc.
En clair, cela signifie que dans le ciel, Geminga couvrirait une distance égale au diamètre apparent de la Lune (30 minutes d'arc) en près de 10 000 ans. Peu d'étoiles bougent aussi vite. Voilà une indication certaine que Geminga est bien un objet proche, d'un ordre de distance d'environ 300 années de lumière. Il devient, par conséquent, le pulsar connu le plus proche de nous.
Pendant ce temps, le satellite germano-américano-britannique Rosat révélait que Geminga émettait des bouffées X quatre fois par seconde et, plus précisément, toutes les 237 millisecondes. Des pulsations gamma de même fréquence furent ensuite détectées par GRO, l'observatoire du rayonnement gamma de la NASA. Bignani et ses collaborateurs retournèrent alors aux données sur le rayonnement gamma qu'avait recueillies le satellite COS-B de l'ESA. Ils y décelèrent les pulsations qui y étaient cachées et réussirent à calculer leur ralentissement. A partir de celui-ci, ils estimèrent l'âge de Geminga à 340 000 ans.
Par la suite, les astrophysiciens italiens, poussant le Télescope spatial Hubble aux limites de ses possibilités de détection, sont parvenus à mesurer plus justement la distance de Geminga, objet ponctuel situé à 500 années de lumière de la Terre. Dans le domaine du visible, l'éclat de Geminga est si faible qu'il a fallu à Hubble plus d'une heure de pose pour obtenir une image convenable. Grâce à cette mesure directe de la distance de Geminga, les astrophysiciens étaient en mesure d'évaluer l'énergie de cette étoile à neutrons ainsi que la vitesse qui l'anime. Pour eux, cette tâche équivalait en difficulté à évaluer à partir de la Sicile le diamètre d'une pièce d'un franc qui se serait trouvée place de la Concorde à Paris. Le faible éclat de Geminga rendait le travail plus délicat encore.
L'équipe italienne put avoir recours à la caméra à grand champ (WFPC2) de Hubble pour trois observations prolongées de Geminga. Ces trois observations conduites à six mois d'intervalle ont fait apparaître de légers décalages dans la position de l'étoile à neutrons. Quelques étoiles plus brillantes mais plus éloignées situées à l'arrière-plan dans le champ de la caméra de Hubble ont servi de cadre de référence. En un an, Geminga s'était déplacée vers le Nord-Est de 0,17 seconde d'arc ce qui équivaut à un degré tous les 21 millénaires. Ce décalage provient du déplacement très rapide de Geminga à travers la Galaxie. Mais l'étoile à neutrons donnait également l'impression d'osciller de part et d'autre des trajectoire interstellaire en raison de la modification de l'angle de visée de Hubble avec la rotation de la Terre autour du Soleil.
A six mois d'intervalle, au printemps et à l'automne dans le cas présent, la Terre occupe autour du Soleil des positions opposées, éloignées de 300 millions de kilomètres. Il en résulte que le gisement des étoiles observées se modifie légèrement par un effet dit de parallaxe. Les étoiles proches apparaissent davantage décalées que celles qui sont très éloignées. Les astronomes peuvent mesurer leur distance par trigonométrie.
Même avec Geminga, le Télescope spatial Hubble a enregistré un déplacement latéral de 0,00636 seconde d'arc, soit moins de deux millionièmes de degré. Sur la base de ce nombre, les astronomes italiens ont calculé que Geminga se situe à 512 années de lumière (157 parsecs) de la Terre, avec une incertitude de l'ordre de 100 années de lumière. L'intense rayonnement gamma et le faible éclat lumineux qui nous parviennent aujourd'hui ont été émis par Geminga à peu près à l'époque où Christophe Colomb découvrait l'Amérique.
Geminga était donc démasquée. La mesure de sa distance complète le long cheminement qui a fait d'une source gamma énigmatique un objet aux caractéristiques bien définies. L'équipe italienne a calculé que Geminga se déplace à la vitesse d'au moins 120 kilomètres par seconde. Les émission de rayons X et gamma de cette étoile à neutrons équivalent en termes d'énergie à dix fois la lumière visible du Soleil. Et, ce qui est plus important, on connaît maintenant, la répartition de l'énergie libérée par Geminga aux différentes longueurs d'onde.
Les mesures collectées par le satellite d'astrométrie de l'ESA Hipparcos, combinées aux observations faites par le télescope Hubble permettent aujourd'hui d'affiner encore la position de Geminga avec une précision d'environ 10 millionièmes de degrés (0,04 seconde d'arc). Après un rapport préliminaire présenté à Venise en mai 1997 lors d'un symposium sur les résultats d'Hipparcos, tous les détails relatifs à la localisation de Geminga viennent d'être consignés dans un article publié en janvier dernier dans la revue "Astronomy and Astrophysics".
Les astronomes sont maintenant en mesure d'affirmer que, le 17 mars 1995, date de l'image prise par Hubble, Geminga se trouvait à une longitude céleste de 98,47563 degrés et à une latitude céleste (ou déclinaison) de 17,77025 degrés dans le référentiel Hipparcos. L'incertitude n'est plus que de plus ou moins 1 sur la dernière décimale.
A la manière d'un phare à feu tournant, Geminga, située dans la constellation des Gémeaux, renvoie vers la Terre un faisceau de rayonnements gamma et X à une fréquence de 252 fois par minute. Elle s'apparente à une horloge qui retarderait de moins d'une microseconde par an.
Mais Geminga est loin d'avoir livré tous ses secrets. Par exemple, la question de savoir si elle possède une planète n'est pas dénuée de tout fondement. En tous cas, on constate une légère modification du rythme de pulsion de Geminga sur un cycle de 5 ans, modification mise parfaitement en évidence lors des récents observations de Compton Gamma Ray de la NASA. Même s'il peut s'agir d'une coïncidence due à des erreurs compte tenu de la faible quantité de données disponibles, certains chercheurs avancent une explication physique par la présence éventuelle d'une planète deux fois plus massive que la Terre, décrivant une orbite autour de l'étoile à neutrons sur une période de 5 ans, ce qui provoquerait les oscillations constatées.
Les étoiles à neutrons ne sont des radiosources que pendant une petite fraction de leur vie. Si quelque 700 pulsars ont déjà pu être répertoriés, il existe probablement des millions d'étoiles à neutrons qui, comme Geminga, n'émettent pas dans le domaine radio. Des milliers d'entre elles pourraient faire partie des sources de rayonnement X déjà connues mais non identifiées à ce jour.
Le prochain chapitre sera la recherche d'autres étoiles à neutrons sans émissions radio semblables à Geminga au moyen de XMM, satellite ultra-sensible de l'ESA conçu pour l'astronomie dans le rayonnement X qui doit être lancé en 1999. Deux ans plus tard, XMM sera rejoint en orbite par Intégral, un satellite d'astronomie dans le rayonnement gamma réalisé par l'ESA.
Sans compter l'apport de la formidable machine astronomique qu'est le Very Large Telescope, (VLT) de l'ESO au Chili. La première lumière de la première de ses quatre unités (de 8,2 m de diamètre chacune) est prévue durant la nuit du 25 au 26 mai prochain. Dès que ce premier télescope sera mis en service, il sera capable d'en faire l'analyse spectroscopique, donc de nous fournir les propriétés chimiques, de Geminga. La traque continue.
Pierre Bastin
(Cet article a été publié dans la revue "Le Ciel", bulletin de la Société astronomique de Liège, de mai 1998)