Des scientifiques de l'espace de l'Université de Bath au Royaume-Uni ont trouvé un nouveau moyen de sonder la structure interne des étoiles à neutrons, donner aux physiciens nucléaires un nouvel outil pour étudier les structures qui composent la matière au niveau atomique.

Les étoiles à neutrons sont des étoiles mortes qui ont été compressées par gravité à la taille de petites villes. Ils contiennent la matière la plus extrême de l'univers, ce qui signifie qu'ils sont les objets les plus denses existants (à titre de comparaison, si la Terre était comprimée à la densité d'une étoile à neutrons, il ne mesurerait que quelques centaines de mètres de diamètre, et tous les humains tiendraient dans une cuillère à café). Cela fait des étoiles à neutrons des laboratoires naturels uniques pour les physiciens nucléaires, dont la compréhension de la force qui lie les particules subatomiques est limitée à leur travail sur les noyaux atomiques liés à la Terre. L'étude du comportement de cette force dans des conditions plus extrêmes offre un moyen d'approfondir leurs connaissances.

Entrez dans les astrophysiciens, qui se tournent vers des galaxies lointaines pour percer les mystères de la physique.

Dans une étude décrite dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society , Les astrophysiciens de Bath ont découvert que l'action de deux étoiles à neutrons se déplaçant de plus en plus vite alors qu'elles se dirigent vers une violente collision donne un indice sur la composition du matériau des étoiles à neutrons. A partir de ces informations, les physiciens nucléaires seront mieux placés pour calculer les forces qui déterminent la structure de toute matière.

Résonance

C'est à travers le phénomène de résonance que l'équipe de Bath a fait sa découverte. La résonance se produit lorsqu'une force est appliquée à un objet à sa fréquence naturelle, générer un grand, souvent catastrophique, mouvement vibratoire. Un exemple bien connu de résonance se trouve lorsqu'un chanteur d'opéra brise un verre en chantant assez fort à une fréquence qui correspond aux modes d'oscillation du verre.

Lorsqu'une paire d'étoiles à neutrons en spirale atteint un état de résonance, leur croûte solide, qui serait 10 milliards de fois plus résistante que l'acier, se brise. Cela se traduit par la libération d'un éclat lumineux de rayons gamma (appelé Resonant Shattering Flare) qui peut être vu par les satellites. Les étoiles en spirale libèrent également des ondes gravitationnelles qui peuvent être détectées par des instruments sur Terre. Les chercheurs de Bath ont découvert qu'en mesurant à la fois la lumière parasite et le signal des ondes gravitationnelles, ils peuvent calculer « l'énergie de symétrie » de l'étoile à neutrons.

L'énergie de symétrie est l'une des propriétés de la matière nucléaire. Il contrôle le rapport des particules subatomiques (protons et neutrons) qui composent un noyau, et comment ce rapport change lorsqu'il est soumis aux densités extrêmes trouvées dans les étoiles à neutrons. Une lecture de l'énergie de symétrie donnerait donc une indication forte de la composition des étoiles à neutrons, et par extension, les processus par lesquels tous les protons et neutrons se couplent, et les forces qui déterminent la structure de toute matière.

Les chercheurs soulignent que les mesures obtenues en étudiant la résonance des étoiles à neutrons en utilisant une combinaison de rayons gamma et d'ondes gravitationnelles seraient complémentaires, plutôt que de remplacer, les expériences de laboratoire des physiciens nucléaires.

"En étudiant les étoiles à neutrons, et les mouvements finaux cataclysmiques de ces objets massifs, nous sommes capables de comprendre quelque chose au sujet du minuscule, de minuscules noyaux qui composent une matière extrêmement dense, " a déclaré l'astrophysicien de Bath, le Dr David Tsang. " L'énorme différence d'échelle rend cela fascinant. "

Doctorat en astrophysique étudiant Duncan Neill, qui a dirigé la recherche, a ajouté:"J'aime que ce travail regarde la même chose étudiée par les physiciens nucléaires. Ils regardent de minuscules particules et nous, les astrophysiciens, regardons des objets et des événements à plusieurs millions d'années-lumière. autrement."

Dr Will Newton, astrophysicien à la Texas A&M University-Commerce et collaborateur du projet, a dit :« Bien que la force qui lie les quarks en neutrons et en protons soit connue, comment cela fonctionne réellement lorsqu'un grand nombre de neutrons et de protons se réunissent n'est pas bien compris. La quête pour améliorer cette compréhension est facilitée par des données expérimentales de physique nucléaire, mais tous les noyaux que nous sondons sur Terre ont un nombre similaire de neutrons et de protons liés ensemble à peu près à la même densité.

"Dans les étoiles à neutrons, la nature nous offre un environnement très différent pour explorer la physique nucléaire :la matière composée principalement de neutrons et couvrant un large éventail de densités, jusqu'à environ dix fois la densité des noyaux atomiques. Dans ce document, nous montrons comment nous pouvons mesurer une certaine propriété de cette matière - l'énergie de symétrie - à des distances de centaines de millions d'années-lumière. Cela peut faire la lumière sur le fonctionnement fondamental des noyaux. »