Vue d’artiste des différentes couches à l’intérieur d’une étoile à neutrons massive, le cercle rouge représentant un important noyau de quarks et de matière. Crédit : Jyrki Hokkanen, SCC
Une nouvelle analyse théorique estime entre 80 et 90 pour cent la probabilité que des étoiles à neutrons massives cachent des noyaux de matière de quarks déconfinés. Le résultat a été obtenu grâce à des analyses massives de supercalculateurs utilisant l’inférence statistique bayésienne.
Les noyaux des étoiles à neutrons contiennent de la matière aux densités les plus élevées atteintes dans notre Univers actuel, avec jusqu’à deux masses solaires de matière comprimées dans une sphère de 25 km de diamètre. Ces objets astrophysiques peuvent en effet être considérés comme des noyaux atomiques géants, dont la gravité comprime leurs noyaux à des densités dépassant de plusieurs fois celles des protons et des neutrons individuels.
Ces densités font des étoiles à neutrons des objets astrophysiques intéressants du point de vue de la physique des particules et de la physique nucléaire. Un problème ouvert de longue date consiste à savoir si l’immense pression centrale des étoiles à neutrons peut comprimer les protons et les neutrons dans une nouvelle phase de la matière, connue sous le nom de matière de quarks froids. Dans cet état exotique de la matière, les protons et les neutrons individuels n’existent plus.
« Les quarks et gluons qui les constituent sont libérés de leur confinement de couleur typique et peuvent se déplacer presque librement », explique Aleksi Vuorinen, professeur de physique théorique des particules à l’Université d’Helsinki.
Vue d’artiste des différentes couches à l’intérieur d’une étoile à neutrons massive, le cercle rouge représentant un important noyau de quarks et de matière. Crédit : Jyrki Hokkanen, SCC
Une forte transition de phase pourrait encore gâcher la journée
Dans un nouvel article qui vient d’être publié dans la revue Communications naturelles, une équipe basée à l’Université d’Helsinki a fourni la toute première estimation quantitative de la probabilité de présence de noyaux de quarks et de matière à l’intérieur d’étoiles à neutrons massives. Ils ont montré que, sur la base des observations astrophysiques actuelles, la matière quark est presque inévitable dans les étoiles à neutrons les plus massives : une estimation quantitative extraite par l’équipe place la probabilité entre 80 et 90 %.
La faible probabilité restante que toutes les étoiles à neutrons soient composées uniquement de matière nucléaire nécessite que le passage de la matière nucléaire à la matière quark soit une forte transition de phase de premier ordre, ressemblant quelque peu à celle de l’eau liquide se transformant en glace. Ce type de changement rapide dans les propriétés de la matière des étoiles à neutrons a le potentiel de déstabiliser l’étoile de telle manière que la formation, même d’un minuscule noyau de quarks, entraînerait l’effondrement de l’étoile en un trou noir.
La collaboration internationale entre des scientifiques de Finlande, de Norvège, d’Allemagne et des États-Unis a permis de montrer comment l’existence de noyaux de quarks et de matière pourrait un jour être pleinement confirmée ou infirmée. La clé est de pouvoir limiter la force de la transition de phase entre la matière nucléaire et la matière des quarks, ce qui devrait être possible une fois qu’un signal d’onde gravitationnelle provenant de la dernière partie d’un binaire étoile à neutrons la fusion est un jour actée.
Un supercalculateur massif fonctionne à l’aide de données d’observation
Un ingrédient clé pour obtenir les nouveaux résultats était un ensemble de calculs massifs sur superordinateur utilisant l’inférence bayésienne – une branche de la déduction statistique où l’on déduit les probabilités de différents paramètres de modèle via une comparaison directe avec des données d’observation. La composante bayésienne de l’étude a permis aux chercheurs de déduire de nouvelles limites pour les propriétés de la matière des étoiles à neutrons, démontrant qu’elles se rapprochent du comportement dit conforme à proximité des noyaux des étoiles à neutrons stables les plus massives.
Le Dr Joonas Nättilä, l’un des principaux auteurs de l’article, décrit le travail comme un effort interdisciplinaire nécessitant une expertise en astrophysique, en physique des particules et nucléaire, ainsi qu’en informatique. Il est sur le point de commencer comme professeur associé à l’Université d’Helsinki en mai 2024.
« Il est fascinant de voir concrètement comment chaque nouvelle observation d’étoile à neutrons permet de déduire les propriétés de la matière des étoiles à neutrons avec une précision croissante. »
Joonas Hirvonen, doctorant travaillant sous la direction de Nättilä et Vuorinen, souligne quant à lui l’importance du calcul haute performance :
« Nous avons dû utiliser des millions d’heures de calcul sur un supercalculateur pour pouvoir comparer nos prédictions théoriques aux observations et limiter la probabilité de noyaux de quarks-matière. Nous sommes extrêmement reconnaissants envers le centre de supercalculateurs finlandais CSC de nous avoir fourni toutes les ressources dont nous avions besoin ! »
