Les étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus denses de l'Univers. La matière qui les compose est tellement comprimée que les scientifiques ne savent pas encore quelle forme elle prend. Le noyau d'une étoile à neutrons pourrait être constitué d'une épaisse soupe de quarks ou contenir des particules exotiques qui ne pourraient survivre nulle part ailleurs dans l'Univers. Crédit : ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al., édité
Observations récentes réalisées par XMM-Newton et NASALes chercheurs de Chandra ont révélé trois étoiles à neutrons inhabituellement froides et jeunes, remettant en question les modèles actuels en montrant qu'elles refroidissent beaucoup plus vite que prévu.
Cette découverte a des implications importantes, suggérant que seules quelques-unes des nombreuses propositions étoile à neutrons Les modèles sont viables et indiquent une avancée potentielle dans la liaison des théories de la relativité générale et de la mécanique quantique à travers des observations astrophysiques.
Découverte d'étoiles à neutrons inhabituellement froides
La sonde XMM-Newton de l'ESA et la sonde Chandra de la NASA ont détecté trois jeunes étoiles à neutrons inhabituellement froides pour leur âge. En comparant leurs propriétés à celles de différents modèles d'étoiles à neutrons, les scientifiques concluent que les basses températures de ces étoiles à neutrons disqualifient environ 75 % des modèles connus. Il s'agit d'un grand pas vers la découverte de l'« équation d'état » des étoiles à neutrons qui les régit toutes, avec des implications importantes pour les lois fondamentales de l'Univers.
Outre les trous noirs, les étoiles à neutrons comptent parmi les objets les plus déconcertants de l'Univers. Une étoile à neutrons se forme dans les derniers instants de la vie d'une très grande étoile (dont la masse est environ huit fois supérieure à celle de notre Soleil), lorsque le combustible nucléaire de son noyau s'épuise. Dans une fin soudaine et violente, les couches externes de l'étoile sont éjectées avec une énergie monstrueuse dans une explosion de supernova, laissant derrière elles des nuages spectaculaires de matière interstellaire riche en poussière et en métaux lourds. Au centre du nuage (nébuleuse), le noyau stellaire dense se contracte davantage pour former une étoile à neutrons. Un trou noir peut également se former lorsque la masse du noyau restant est supérieure à environ trois masses solaires. Crédit : ESA
Densité extrême et états inconnus de la matière
Après les trous noirs de masse stellaire, les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses de l'Univers. Chaque étoile à neutrons est le noyau comprimé d'une étoile géante, laissé derrière elle après l'explosion de l'étoile en supernova. Une fois à court de carburant, le noyau de l'étoile implose sous l'effet de la gravité tandis que ses couches externes sont projetées vers l'espace.
La matière au centre d'une étoile à neutrons est comprimée à un tel point que les scientifiques ne savent toujours pas quelle forme elle prend. Les étoiles à neutrons doivent leur nom au fait que sous cette pression immense, même les atomes s'effondrent : les électrons fusionnent avec les noyaux atomiques, transformant les protons en neutrons. Mais cela pourrait devenir encore plus étrange, car la chaleur et la pression extrêmes pourraient stabiliser des particules plus exotiques qui ne survivent nulle part ailleurs, ou peut-être faire fondre les particules ensemble pour former une soupe tourbillonnante de quarks qui les composent.
Dans une étoile à neutrons (à gauche), les quarks qui composent les neutrons sont confinés à l'intérieur des neutrons. Dans une étoile à quarks (à droite), les quarks sont libres, ils occupent donc moins d'espace et le diamètre de l'étoile est plus petit. Crédit : NASA/CXC/M.Weiss
Ce qui se passe à l'intérieur d'une étoile à neutrons est décrit par ce qu'on appelle « l'équation d'état », un modèle théorique qui décrit les processus physiques qui peuvent se produire à l'intérieur d'une étoile à neutrons. Le problème est que les scientifiques ne savent pas encore lequel des centaines de modèles d'équations d'état possibles est correct. Alors que le comportement des étoiles à neutrons individuelles peut dépendre de propriétés comme leur masse ou la vitesse à laquelle elles tournent, toutes les étoiles à neutrons doivent obéir à la même équation d'état.
Conséquences des observations sur le refroidissement des étoiles à neutrons
En analysant les données des missions XMM-Newton de l'ESA et Chandra de la NASA, les scientifiques ont découvert trois étoiles à neutrons exceptionnellement jeunes et froides, 10 à 100 fois plus froides que leurs homologues du même âge. En comparant leurs propriétés aux taux de refroidissement prédits par différents modèles, les chercheurs concluent que l'existence de ces trois excentriques exclut la plupart des équations d'état proposées.
« Le jeune âge et la faible température de surface de ces trois étoiles à neutrons ne peuvent être expliqués qu’en invoquant un mécanisme de refroidissement rapide. Comme le refroidissement accéléré ne peut être activé que par certaines équations d’état, cela nous permet d’exclure une partie importante des modèles possibles », explique l’astrophysicienne Nanda Rea, dont le groupe de recherche à l’Institut des sciences spatiales (ICE-CSIC) et à l’Institut d’études spatiales de Catalogne (IEEC) a dirigé l’étude.
Unifier les théories grâce à l'étude des étoiles à neutrons
La découverte de la véritable équation d'état des étoiles à neutrons a également des implications importantes pour les lois fondamentales de l'Univers. Les physiciens ne savent pas encore comment relier la théorie de la relativité générale (qui décrit les effets de la gravité à grande échelle) à la mécanique quantique (qui décrit ce qui se passe au niveau des particules). Les étoiles à neutrons sont le meilleur terrain d'essai pour cela, car elles ont des densités et une gravitation bien supérieures à tout ce que nous pouvons créer sur Terre.
Les étoiles à neutrons sont les noyaux comprimés d'étoiles géantes, laissés derrière elles après l'explosion de l'étoile en supernova. Elles sont si denses que la quantité de matière d'étoile à neutrons contenue dans un morceau de sucre pèserait autant que tous les habitants de la Terre ! Crédit : ESA
Unir nos forces : quatre étapes vers la découverte
Ces trois étoiles à neutrons bizarres sont si froides qu’elles sont trop faibles pour être observées par la plupart des observatoires à rayons X. « L’excellente sensibilité de XMM-Newton et Chandra a permis non seulement de détecter ces étoiles à neutrons, mais aussi de recueillir suffisamment de lumière pour déterminer leur température et d’autres propriétés », explique Camille Diez, chercheuse à l’ESA qui travaille sur les données de XMM-Newton.
Ces mesures précises ne sont toutefois qu'une première étape pour pouvoir tirer des conclusions sur les implications de ces phénomènes étranges pour l'équation d'état des étoiles à neutrons. Pour cela, l'équipe de recherche de Nanda à l'ICE-CSIC a réuni les compétences complémentaires d'Alessio Marino, Clara Dehman et Konstantinos Kovlakas.
Alessio a mené des recherches sur les propriétés physiques des étoiles à neutrons. L'équipe a pu déduire la température des étoiles à neutrons à partir des rayons X émis par leur surface, tandis que la taille et la vitesse des restes de supernovae environnants ont donné une indication précise de leur âge.
Clara a ensuite pris l’initiative de calculer les « courbes de refroidissement » des étoiles à neutrons pour les équations d’état qui intègrent différents mécanismes de refroidissement. Cela implique de tracer les prédictions de chaque modèle sur la façon dont la luminosité d’une étoile à neutrons – une caractéristique directement liée à sa température – évolue au fil du temps. La forme de ces courbes dépend de plusieurs propriétés différentes d’une étoile à neutrons, qui ne peuvent pas toutes être déterminées avec précision à partir d’observations. Pour cette raison, l’équipe a calculé les courbes de refroidissement pour une gamme de masses d’étoiles à neutrons et d’intensités de champ magnétique possibles.
Finalement, une analyse statistique menée par Konstantinos a rassemblé le tout. apprentissage automatique pour déterminer dans quelle mesure les courbes de refroidissement simulées s'alignent avec les propriétés des excentriques, il a été montré que les équations d'état sans mécanisme de refroidissement rapide n'ont aucune chance de correspondre aux données.
« La recherche sur les étoiles à neutrons touche de nombreuses disciplines scientifiques, allant de la physique des particules à ondes gravitationnelles« Le succès de ce travail démontre à quel point le travail d’équipe est fondamental pour faire progresser notre compréhension de l’Univers », conclut Nanda.
