La matière au cœur des étoiles à neutrons - des restes denses d'étoiles massives explosées - prend la forme la plus extrême que nous puissions mesurer. Maintenant, grâce aux données de l'explorateur de composition intérieure de l'étoile à neutrons de la NASA (NICER), un télescope à rayons X sur la Station spatiale internationale, les scientifiques ont découvert que cette matière mystérieuse est moins compressible que certains physiciens l'avaient prédit.

La conclusion est basée sur les observations de NICER de PSR J0740+6620 (J0740 pour faire court), l'étoile à neutrons connue la plus massive, qui s'étend sur 3, 600 années-lumière dans la constellation nord de Camelopardalis. J0740 est dans un système stellaire binaire avec une naine blanche, le reste refroidissant d'une étoile semblable au Soleil, et tourne 346 fois par seconde. Des observations antérieures placent la masse de l'étoile à neutrons à environ 2,1 fois celle du Soleil.

"Nous sommes entourés de matière normale, l'étoffe de notre expérience quotidienne, mais il y a beaucoup de choses que nous ne savons pas sur le comportement de la matière, et comment il se transforme, dans des conditions extrêmes, " dit Zaven Arzoumanian, le responsable scientifique de NICER au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "En mesurant les tailles et les masses des étoiles à neutrons avec NICER, nous explorons une matière sur le point d'imploser dans un trou noir. Une fois que cela se produit, nous ne pouvons plus étudier la matière car elle est cachée par l'horizon des événements du trou noir."

Arzoumanian et les membres de l'équipe NICER ont présenté leurs conclusions samedi, 17 avril lors d'une réunion virtuelle de l'American Physical Society, et les articles décrivant les résultats et leurs implications font actuellement l'objet d'un examen scientifique.

En fin de vie, une étoile plusieurs fois plus lourde que le Soleil manque de carburant dans son noyau, s'effondre sous son propre poids, et se transforme en supernova. La plus lourde de ces étoiles explosives laisse derrière elle des trous noirs. Les plus légers donnent naissance à des étoiles à neutrons, qui emballent plus de masse que le Soleil dans une sphère à peu près aussi large que l'île de Manhattan à New York est longue.

Les scientifiques pensent que les étoiles à neutrons sont superposées. En surface, une mince atmosphère d'atomes d'hydrogène ou d'hélium repose sur une croûte solide d'atomes plus lourds. Dans la croûte, l'augmentation rapide de la pression arrache les électrons des noyaux atomiques. Plus profondément, dans le noyau externe, les noyaux se séparent en neutrons et protons. L'immense pression écrase les protons et les électrons pour former une mer composée principalement de neutrons qui sont finalement entassés jusqu'à deux fois la densité d'un noyau atomique.

Mais quelle forme prend la matière dans le noyau interne ? Est-ce des neutrons tout en bas, ou les neutrons se brisent-ils dans leurs propres éléments constitutifs, appelés quarks ?

Les physiciens se posent cette question depuis que Walter Baade et Fritz Zwicky ont proposé l'existence des étoiles à neutrons en 1934. Pour y répondre, les astronomes ont besoin de mesures précises à la fois de la taille et de la masse de ces objets. Cela leur permet de calculer la relation entre la pression et la densité dans le noyau interne de l'étoile et d'évaluer la capacité de compression ultime de la matière.

Dans les modèles traditionnels d'une étoile à neutrons typique, un avec environ 1,4 fois la masse du Soleil, les physiciens s'attendent à ce que le noyau interne soit principalement rempli de neutrons. La densité plus faible garantit que les neutrons restent suffisamment éloignés les uns des autres pour rester intacts, et cette rigidité interne se traduit par une étoile plus grande.

Dans les étoiles à neutrons plus massives comme J0740, la densité du noyau interne est beaucoup plus élevée, écraser les neutrons plus près les uns des autres. On ne sait pas si les neutrons peuvent rester intacts dans ces conditions ou s'ils se décomposent plutôt en quarks. Les théoriciens soupçonnent qu'ils se brisent sous la pression, mais de nombreuses questions sur les détails demeurent. Pour obtenir des réponses, les scientifiques ont besoin d'une mesure précise de la taille d'une étoile à neutrons massive. Une étoile plus petite favoriserait les scénarios où les quarks errent librement dans les profondeurs les plus intimes, car les particules plus fines peuvent être plus étroitement emballées. Une étoile plus grosse suggérerait la présence de formes de matière plus complexes.

Pour obtenir les mesures précises nécessaires, NICER observe des étoiles à neutrons en rotation rapide appelées pulsars, découvert en 1967 par Jocelyn Bell Burnell. Brillant, Des points chauds émettant des rayons X se forment à la surface de ces objets. Pendant que les pulsars tournent, leurs taches virevoltent comme les faisceaux d'un phare, produisant des variations régulières de leur luminosité aux rayons X.

Mais les pulsars sont aussi si denses que leur gravité déforme l'espace-temps proche, comme une boule de bowling posée sur un trampoline. Cette distorsion est suffisamment forte pour que la lumière de l'autre côté de l'étoile - une lumière que nous ne pourrions pas détecter autrement - soit redirigée vers nous, ce qui rend le pulsar plus gros qu'il ne l'est en réalité. La même masse dans un boîtier plus petit produit une plus grande distorsion. Cet effet peut être si intense qu'il peut empêcher les points chauds de disparaître complètement lorsqu'ils tournent autour du pulsar.

Les scientifiques peuvent tirer parti de ces effets car NICER mesure l'arrivée de chaque rayon X à mieux que 100 nanosecondes. En suivant la variation de la luminosité des rayons X du pulsar pendant sa rotation, les scientifiques peuvent reconstituer à quel point il déforme l'espace-temps. Puisqu'ils connaissent sa masse, ils peuvent traduire cette distorsion en une taille.

Deux équipes ont utilisé des approches différentes pour modéliser la taille du J0740. Un groupe dirigé par Thomas Riley et Anna Watts, chercheur postdoctoral et professeur d'astrophysique à l'Université d'Amsterdam, respectivement - estimez que le pulsar mesure environ 15,4 miles (24,8 kilomètres) de diamètre. Une équipe dirigée par Cole Miller, professeur d'astronomie à l'Université du Maryland, Parc du Collège, J0740 mesurait environ 27,4 kilomètres de large. Les deux résultats se chevauchent significativement dans leurs incertitudes, allant de 14,2 à 17 miles (22,8 à 27,4 kilomètres) et 15,2 à 20,2 miles (24,4 à 32,6 kilomètres), respectivement.

En plus des données NICER, les deux groupes ont également inclus des observations aux rayons X du satellite XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne qui ont été utiles pour tenir compte du bruit de fond. La masse de J0740 a été précédemment déterminée par des mesures radio effectuées par des scientifiques de l'Observatoire nord-américain de nanohertz pour les ondes gravitationnelles et de l'expérience canadienne de cartographie de l'intensité de l'hydrogène.

En 2019, Les équipes de Riley et Miller ont utilisé les données NICER pour estimer à la fois la taille et la masse du pulsar J0030+0451 (ou J0030). Ils ont déterminé que l'objet était environ 1,4 fois la masse du Soleil et 16 miles (26 kilomètres) de diamètre.

"Nos nouvelles mesures du J0740 montrent que même s'il est presque 50 % plus massif que le J0030, c'est essentiellement la même taille, " a déclaré Watts. " Cela remet en question certains des modèles les plus compressibles de noyaux d'étoiles à neutrons, y compris des versions où l'intérieur n'est qu'une mer de quarks. La taille et la masse du J0740 posent également des problèmes pour certains modèles moins compressibles ne contenant que des neutrons et des protons."

Des modèles théoriques récents proposent des alternatives, tels que les noyaux internes contenant un mélange de neutrons, protons, et la matière exotique constituée de quarks ou de nouvelles combinaisons de quarks. Mais toutes les possibilités devront être réévaluées dans le contexte de cette nouvelle information de NICER.

"La taille de J0740 nous a déconcertés et excités, les théoriciens, " a déclaré Sanjay Reddy, un professeur de physique à l'Université de Washington qui étudie la matière dans des conditions extrêmes mais n'a pas été impliqué dans la découverte. "Mesures de NICER, combiné avec d'autres observations multi-messagers, semblent soutenir l'idée que la pression augmente rapidement dans les noyaux d'étoiles à neutrons massifs. Bien que cela défavorise les transitions vers des formes de matière plus compressibles dans le noyau, ses implications ne sont pas encore pleinement comprises. »

L'équipe de Miller a également déterminé à quel point les scientifiques peuvent estimer la taille d'un pulsar, en utilisant les mesures J0740 et J0030 de NICER pour compléter les informations existantes provenant d'autres pulsars lourds et d'événements d'ondes gravitationnelles, les ondulations spatio-temporelles générées par les collisions d'objets massifs comme les étoiles à neutrons et les trous noirs.

"Nous connaissons maintenant le rayon d'une étoile à neutrons standard, avec 1,4 fois la masse du Soleil, dans une incertitude de 5%, " a déclaré Miller. " C'est comme connaître la taille de Washington, D.C., à environ un quart de mile. NICER ne se contente pas de réécrire les manuels sur les étoiles à neutrons, mais aussi révolutionner notre confiance dans nos mesures d'objets à la fois très éloignés et très petits."

En plus de tester les limites de la matière, les étoiles à neutrons offrent également un nouveau moyen d'explorer les vastes étendues de l'espace. En 2018, une équipe de scientifiques et d'ingénieurs de la NASA a utilisé NICER pour démontrer, pour la première fois, navigation totalement autonome dans l'espace à l'aide de pulsars, qui pourrait révolutionner notre capacité à piloter des engins spatiaux robotiques jusqu'aux confins du système solaire et au-delà.

"NICER était un excellent coéquipier, " a déclaré l'astronaute de la NASA Christina Koch, qui a servi comme ingénieur de vol sur la station spatiale de mars 2019 à février 2020, établissant le record du plus long vol spatial unique par une femme. "La mission illustre tous les meilleurs aspects de la recherche en station. C'est une science fondamentale révolutionnaire, sciences spatiales, et l'innovation technologique, le tout rendu possible par l'environnement et la plate-forme uniques d'un laboratoire en orbite."