Des ondes gravitationnelles jettent de la lumière sur les intérieurs d'étoiles à neutrons

La détection d’une fusion d’étoiles à neutrons par une onde gravitationnelle, l’année dernière, a révélé des détails sur la structure des étoiles à neutrons, excluant la présence de corps exotiques dans les noyaux des objets.

Illustration artistique des étapes finales d'une fusion étoile à neutrons.
NASA / Centre de vol spatial Goddard

Deux études indépendantes établissent de nouvelles contraintes sur la taille des étoiles à neutrons, suggérant qu’elles ne font pas plus de 14 kilomètres de rayon. C'est à peu près deux fois la longueur de la bande de Las Vegas. Cette taille limite est légèrement supérieure aux estimations précédentes, ce qui suggère que les étoiles à neutrons pourraient être moins exotiques qu'on ne le pensait auparavant.

Les étoiles à neutrons sont les restes stellaires denses des explosions de supernova. Dans un rayon infime, ils contiennent une masse d'environ 1, 4 fois celle du soleil. Les densités et pressions extrêmes absorbent les électrons dans les noyaux des atomes. Les protons et les électrons de leur orbite se combinent pour former des neutrons, de sorte que les étoiles à neutrons sont principalement composées de neutrons. Mais il est possible que la densité au niveau de leurs noyaux soit si élevée qu'elle décompose la matière en particules encore plus petites, telles que des quarks.

Comme l'astrophysicien Feryal Zel (Université de l'Arizona) l'a expliqué dans le numéro de juillet 2017 de Sky & Telescope, la taille de l'étoile à neutrons a vraiment de l'importance - plus l'étoile est petite, plus la densité de son noyau est élevée. Les mesures précédentes indiquaient un rayon maximum d’étoile à neutrons compris entre 10 et 11 km. Cela ne semble peut-être pas très différent de 14 km, mais cela suffirait pour augmenter la densité centrale de plus d'un facteur deux. "Cela suffit pour avoir un effet profond sur la quantité de répulsion ressentie par les particules", a écrit Özel, ce qui introduirait la possibilité d'un noyau rempli de quarks.

Les nouvelles tailles d'étoiles à neutrons, publiées dans deux articles parus dans Physical Review Letters du 25 avril, sont basées sur la détection LIGO / Virgo du 17 août 2017 des ondes gravitationnelles provenant d'une paire d'étoiles à neutrons fusionnant à 130 millions d'années-lumière de distance. Les objets massifs, tels que les trous noirs et les étoiles à neutrons, émettent ces ondulations dans l'espace-temps lorsqu'ils se déplacent dans l'espace. Les ondes gravitationnelles observées lors de la collision entre étoiles à neutrons ont servi de sonde de la structure des objets. Bien que les deux articles utilisent des approches différentes, ils ont calculé à peu près la même taille maximale pour les étoiles à neutrons: Eemeli Annala (Université d'Helsinki, Finlande) a mené une étude la limitant à 13, 6 km, tandis que Farrukh J. Fattoyev (Université d'Indiana) et ses collègues limité à 13, 76 km.

Des étoiles à neutrons au labo

Étoile à neutrons
Casey Reed / Université d'État Penn

Compte tenu de leur densité extrêmement élevée, les astronomes ne savent pas à quoi ressemble une étoile à neutrons à l'intérieur. Certaines de leurs idées sont basées sur la physique nucléaire, tandis que le concept de la matière des quarks, en particulier, est basé sur la physique des particules de haute énergie. Les différentes approches peuvent donner différentes prévisions sur la structure interne des étoiles à neutrons.

Les expériences menées au Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN et au collisionneur relativiste à ions lourds du Laboratoire national de Brookhaven donnent une idée de ce à quoi une étoile à neutrons pourrait ressembler. Les chercheurs de ces établissements réunissent les ions plomb à une vitesse proche de celle de la lumière pour produire les températures élevées qui décomposent les protons et les neutrons en un plasma de quark-gluon.

"Ces collisions créent des gouttelettes de matière de la taille d'un ion, si denses que la structure des protons et des neutrons fondent, et nous nous retrouvons avec une petite gouttelette de matière quark pendant un très bref instant", explique le physicien théoricien Aleksi Kurkela (CERN), de Annala coauteur. "Nous pensons que ce plasma chaud de quark-gluon est étroitement lié à la matière" fraîche "des quarks que l'on peut trouver dans les noyaux d'étoiles à neutrons. En étudiant les propriétés du plasma de quark-gluon, nous essayons d'apprendre et de déduire ce qui est passe dans les noyaux des étoiles à neutrons ".

Si les étoiles à neutrons produisent des quarks dans leur centre, elles pourraient subir un changement de phase. «Nous pourrions potentiellement observer. . . Kurkela explique: les étoiles à neutrons avec des masses similaires mais avec des rayons tout à fait différents, l'interprétation serait alors celle qui aurait le rayon le plus large serait constitué d'un matériau plus rigide, supposé être de la matière neutronique. Le plus petit serait constitué ou, du moins, aurait un noyau constitué d'un matériau plus mou qui pourrait être une question de quark. "

"Alors que nos théories actuelles fournissent une très bonne description de la matière dense à des densités nucléaires, leurs prédictions s'écartent considérablement lorsqu'elles sont extrapolées à des densités super nucléaires", ajoute Fattoïev (Université de l'Indiana).

En effet, certaines des observations de LIGO ne correspondent pas à ce que les scientifiques avaient théorisé, en particulier en ce qui concerne les types de matières trouvées à l'intérieur des étoiles à neutrons, explique Kurkela.

De la forme à la taille

La conception de cet artiste représente deux étoiles à neutrons au moment de la collision.
Dana Berry / SkyWorks Digital, Inc.

Lorsque deux étoiles à neutrons se chevauchent, leurs champs gravitationnels respectifs créent des forces de marée sur leur partenaire: la gravité tire plus fortement du côté de l'étoile plus près de son compagnon que de son côté éloigné. En conséquence, explique Kurkela, les deux étoiles à neutrons s'étirent, se déformant de manière anodine en une forme ressemblant à un ballon de rugby.

Les formes des étoiles à neutrons montrent de quoi elles sont faites. Si la matière à l'intérieur des étoiles à neutrons était molle, c'est-à-dire contenant des quarks en plus des neutrons, LIGO verrait les étoiles à neutrons se déformer. Mais les observations de LIGO ne cadrent pas avec ces théories. Au lieu de cela, explique Kurkela, les travaux de LIGO ont montré que les étoiles à neutrons ressemblaient à des boules dures et insaisissables, même lorsqu'elles fusionnaient les unes avec les autres, ce qui signifie qu'elles ne contiennent que des neutrons. Les résultats ont permis aux enquêteurs d'exclure l'existence de quarks dans les étoiles à neutrons.

Les scientifiques auront besoin d'observations supplémentaires sur les ondes gravitationnelles pour confirmer ce que LIGO a vu. De plus, étant donné que les collisions d'étoiles à neutrons génèrent de la lumière en plus des ondes gravitationnelles, les scientifiques espèrent obtenir davantage d'informations sur la composition par le biais d'observations de rayons X de suivi, telles que celles provenant de l'explorateur de composition d'intérieur à étoile à neutrons (NICER) perché sur la station spatiale internationale.