Les supernovae à capture d'électrons (ECSNe) sont des explosions stellaires qui se produisent dans des étoiles dont la masse initiale est environ 8 à 10 fois supérieure à celle du soleil. Ces étoiles développent des noyaux oxygène-néon-magnésium, qui deviennent instables lorsque les électrons sont capturés par les noyaux de néon et de magnésium.
La perte de pression électronique qui en résulte déclenche l’effondrement du noyau, conduisant à une explosion de supernova et à la formation d’une étoile à neutrons, une étoile extrêmement dense composée principalement de neutrons.
Des chercheurs de l’INFN-Pise et de l’Université de Pise ont récemment mené une étude visant à apporter un nouvel éclairage sur la manière dont un type hypothétique de matière noire, appelé matière noire asymétrique (ADM), pourrait influencer l’effondrement des noyaux progéniteurs ECSN et la formation ultérieure d’étoiles à neutrons.
Leur article, publié dans le Journal d'astrophysique des hautes énergiesprésente le premier modèle de structure stellaire auto-cohérent de la contribution possible de l'ADM à ce processus astrophysique.
« Mon inspiration pour mener les recherches rapportées dans notre récent article publié dans JHEAP est venue il y a un peu plus d'un an, lorsque je suis tombé sur une étude intéressante d'Hiramatsu et al. publiée en 2021 », a déclaré Ignazio Bombaci, co-auteur de l'article, à Issues.fr.
« Dans leurs travaux, les auteurs ont montré que la supernova 2018zd (SN2018zd) représentait la première preuve observationnelle convaincante d'un ECSN, un nouveau type d'explosion stellaire proposé au début des années 1980 par l'astrophysicien japonais Ken'ichi Nomoto et ses collaborateurs. »
Avant que Bombaci ne tombe sur l'article de 2021 d'Hiramatsu et de ses collègues, il supervisait les travaux de Domenico Scordino, qui terminait sa maîtrise en physique à l'Université de Pise. Avec son élève, il étudiait les effets possibles de l'ADM fermionique sur les propriétés structurelles des étoiles à neutrons.
« Après avoir lu l'article, il m'est immédiatement apparu clairement que la présence de matière noire fermionique dans le noyau dégénéré d'oxygène, de néon et de magnésium (16Ô, 20Non, 24Mg) de l'étoile progénitrice ECSN pourrait fortement influencer le processus ECSN, notamment en ce qui concerne la valeur de masse critique du noyau stellaire dégénéré au-delà de laquelle la capture électronique sur 20Ne et 24Des noyaux de magnésium peuvent apparaître », a déclaré Bombaci.
« Plus important encore, j'ai vu la possibilité de former des étoiles à neutrons avec des masses bien inférieures à une masse solaire, c'est-à-dire inférieures à la plus petite masse mesurée jusqu'à présent (M = 1,174 masse solaire) pour l'étoile à neutrons associée au pulsar PSR J0453+1559. »
L'objectif principal de l'étude des chercheurs était d'explorer l'impact de la matière noire sur l'effondrement du noyau progéniteur de l'ECSN, l'explosion qui a suivi et la naissance de l'étoile à neutrons. Dans leurs analyses, ils ont traité la matière ordinaire et la matière noire comme deux fluides interpénétrés qui interagissent uniquement via des effets gravitationnels.
« Pour ce faire, nous avons utilisé un formalisme relativiste général à deux fluides, qui étend les équations standard de structure d'étoile compacte pour décrire des configurations d'équilibre dans lesquelles deux composants fluides coexistent sous un champ gravitationnel partagé », a expliqué Scordino, co-auteur de l'article.
« Pour la matière ordinaire, nous avons modélisé des naines blanches riches en néon (les ancêtres typiques des supernovae à capture d'électrons) à l'aide d'équations d'état (EOS) qui incluent la physique de la capture d'électrons. Pour la matière noire, nous avons supposé qu'elle se comporte comme un gaz de Fermi froid, idéal et dégénéré, tandis que, pour modéliser la matière ordinaire à l'intérieur de l'étoile à neutrons, nous utilisons un EOS microscopique en utilisant une approche quantique à plusieurs corps. »
Bombaci, Scordino et leur collègue Vishal Parmar ont ensuite résolu numériquement les équations structurelles des étoiles, en examinant différentes masses et fractions de particules de matière noire. Cela leur a permis de prédire comment la présence de matière noire modifierait le profil de densité du noyau de type naine blanche du progéniteur ECSN et influencerait la masse seuil à laquelle son effondrement se produirait.
« Cette approche nous a permis de cartographier les naines blanches progénitrices directement avec les restes de leurs étoiles à neutrons et de quantifier comment la matière noire pourrait réduire l'énergie de l'explosion et produire des étoiles à neutrons de masse inhabituellement faible », a déclaré Scordino.
« En fin de compte, nous avons montré que la matière noire peut provoquer l'effondrement des noyaux de type naine blanche avec une masse gravitationnelle inférieure, conduisant à des explosions plus faibles et produisant des étoiles à neutrons de masse inhabituellement faible. »
Cette étude récente présente le premier modèle basé sur la structure stellaire qui décrit le rôle de l'ADM dans l'effondrement des naines blanches, l'énergétique de l'ECSNe et l'émergence ultérieure des étoiles à neutrons. Ce modèle pourrait éclairer à la fois les études astrophysiques axées sur le processus ECSNe et potentiellement les futures recherches sur la matière noire.
« En traitant la matière ordinaire et la matière noire comme deux fluides interagissant uniquement par gravité, nous avons montré que même une quantité modeste de matière noire peut comprimer suffisamment les noyaux des naines blanches pour déclencher un effondrement à des masses inférieures à ce que l'on pensait auparavant », a déclaré Parmar, co-auteur de l'article.
« Cela ouvre une nouvelle voie pour la formation d'étoiles à neutrons inhabituellement légères, bien en dessous de la plage de masse standard prédite par les modèles conventionnels. »
Dans l'ensemble, le modèle de l'équipe suggère que des supernovae de très basse énergie ou des étoiles à neutrons d'une lumière inattendue pourraient être des signatures indirectes de la matière noire à l'œuvre à l'intérieur des étoiles. Des études de suivi pourraient explorer davantage cette possibilité et ses implications possibles pour les recherches sur la matière noire.
« Plus largement, notre étude souligne que les explosions stellaires, traditionnellement étudiées uniquement en termes de physique nucléaire et de particules, peuvent également servir de laboratoires naturels pour sonder les propriétés de la matière noire, nous ouvrant ainsi une nouvelle fenêtre astrophysique sur l'un des plus grands mystères de la physique », a déclaré Parmar.
Bombaci, Scordino et Parmar s'appuient désormais sur leur récente étude et tentent d'améliorer leur modèle stellaire. Par exemple, ils prévoient d’inclure des compositions de naines blanches plus réalistes et d’envisager un plus large éventail de propriétés de matière noire.
« Nous souhaitons également étudier comment différentes quantités de matière noire pourraient laisser des empreintes digitales observables, telles que des supernovae inhabituellement faibles ou des étoiles à neutrons très légères, et comparer ces prédictions avec les observations actuelles et à venir », ont ajouté les auteurs.
« À plus long terme, nous espérons relier plus étroitement nos travaux théoriques à l'astronomie multi-messagers, en utilisant les données des télescopes et des détecteurs d'ondes gravitationnelles pour vérifier si la matière noire façonne réellement la vie et la mort des étoiles. En parallèle, nous visons à déterminer si les étoiles à neutrons de faible masse provenant de l'ECSNe peuvent fournir de nouvelles contraintes sur l'équation d'état des étoiles à neutrons aux densités intermédiaires. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
