Quelle est la taille d'une étoile à neutrons ? Les estimations antérieures variaient de huit à 16 kilomètres. Les astrophysiciens de l'Université Goethe de Francfort et de la FIAS ont maintenant réussi à déterminer la taille des étoiles à neutrons à moins de 1,5 kilomètre en utilisant une approche statistique élaborée appuyée par des données de mesure des ondes gravitationnelles. Le rapport des chercheurs paraît dans le numéro actuel de Lettres d'examen physique .

Les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses de l'univers, avec une masse supérieure à celle de notre soleil compacté en une sphère relativement petite dont le diamètre est comparable à celui de la ville de Francfort. Ce n'est en fait qu'une estimation approximative, toutefois. Depuis plus de 40 ans, la détermination de la taille des étoiles à neutrons a été un Saint Graal en physique nucléaire dont la solution fournirait des informations importantes sur le comportement fondamental de la matière aux densités nucléaires.

Les données issues de la détection d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion d'étoiles à neutrons (GW170817) apportent une contribution importante à la résolution de cette énigme. Fin 2017, Professeur Luciano Rezzolla, Institut de physique théorique de l'Université Goethe de Francfort et FIAS, avec ses étudiants Elias Most et Lukas Weih déjà exploité ces données pour répondre à une question de longue date sur la masse maximale que les étoiles à neutrons peuvent supporter avant de s'effondrer en un trou noir, un résultat qui a également été confirmé par divers autres groupes à travers le monde. Suite à ce premier résultat important, la même équipe, avec l'aide du professeur Juergen Schaffner-Bielich, a travaillé pour fixer des contraintes plus strictes sur la taille des étoiles à neutrons.

Le nœud du problème est que l'équation d'état qui décrit la matière à l'intérieur des étoiles à neutrons n'est pas connue. Les physiciens ont donc décidé d'emprunter une autre voie :ils ont choisi des méthodes statistiques pour déterminer la taille des étoiles à neutrons dans des limites étroites. Afin de fixer les nouvelles limites, ils ont calculé plus de deux milliards de modèles théoriques d'étoiles à neutrons en résolvant les équations d'Einstein décrivant l'équilibre de ces étoiles relativistes et ont combiné ce vaste ensemble de données avec les contraintes provenant de la détection d'ondes gravitationnelles GW170817.

« Une approche de ce type n'est pas inhabituelle en physique théorique, " dit Rezzolla, ajoutant :« En explorant les résultats pour toutes les valeurs possibles des paramètres, nous pouvons réduire efficacement nos incertitudes. les chercheurs ont pu déterminer le rayon d'une étoile à neutrons typique dans un rayon de seulement 1,5 km :il se situe entre 12 et 13,5 kilomètres, un résultat qui peut être encore affiné par les futures détections d'ondes gravitationnelles.

"Toutefois, il y a une torsion à tout ça, comme les étoiles à neutrons peuvent avoir des solutions jumelles, " dit Schaffner-Bielich. Il est en effet possible qu'à des densités ultra-élevées, la matière change radicalement ses propriétés et subit une soi-disant « transition de phase ». Ceci est similaire à ce qui arrive à l'eau lorsqu'elle gèle et passe d'un état liquide à un état solide. Dans le cas des étoiles à neutrons, cette transition est supposée transformer la matière ordinaire en "matière de quark, " produisant des étoiles qui auront exactement la même masse que leur étoile à neutrons " jumelle, " mais ce sera beaucoup plus petit et par conséquent plus compact.

Bien qu'il n'y ait aucune preuve définitive de leur existence, ce sont des solutions plausibles et les chercheurs de Francfort ont pris en compte cette possibilité, malgré les complications supplémentaires que les étoiles jumelles impliquent. Cet effort a finalement porté ses fruits car leurs calculs ont révélé un résultat inattendu :les étoiles jumelles sont statistiquement rares et ne peuvent pas être beaucoup déformées lors de la fusion de deux de ces étoiles. Il s'agit d'une découverte importante car elle permet désormais aux scientifiques d'exclure potentiellement l'existence de ces objets très compacts. Les futures observations des ondes gravitationnelles révéleront donc si les étoiles à neutrons ont ou non des jumeaux exotiques.