Une équipe de recherche internationale dirigée par des membres de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein; AEI) a obtenu de nouvelles mesures de la taille des étoiles à neutrons. Faire cela, ils ont combiné une description générale des premiers principes du comportement inconnu de la matière stellaire à neutrons avec des observations multi-messagers de la fusion d'étoiles à neutrons binaires GW170817. leurs résultats, qui est apparu dans Astronomie de la nature aujourd'hui, sont plus strictes d'un facteur deux que les limites précédentes et montrent qu'une étoile à neutrons typique a un rayon proche de 11 kilomètres. Ils constatent également que les étoiles à neutrons fusionnant avec des trous noirs sont dans la plupart des cas susceptibles d'être avalées entières, sauf si le trou noir est petit et/ou en rotation rapide. Cela signifie que bien que de telles fusions puissent être observables en tant que sources d'ondes gravitationnelles, ils seraient invisibles dans le spectre électromagnétique.

"Les fusions d'étoiles à neutrons binaires sont une mine d'or d'informations !" dit Collin Capano, chercheur à l'AEI Hanovre et auteur principal du Astronomie de la nature étudier. "Les étoiles à neutrons contiennent la matière la plus dense de l'univers observable. En fait, ils sont si denses et compacts, que vous pouvez considérer l'étoile entière comme un seul noyau atomique, à l'échelle de la taille d'une ville. En mesurant les propriétés de ces objets, nous apprenons la physique fondamentale qui régit la matière au niveau subatomique."

"Nous constatons que l'étoile à neutrons typique, qui est environ 1,4 fois plus lourd que notre Soleil a un rayon d'environ 11 kilomètres, " dit Badri Krishnan, qui dirige l'équipe de recherche de l'AEI Hannover. "Nos résultats limitent le rayon à probablement quelque part entre 10,4 et 11,9 kilomètres. C'est un facteur deux plus strict que les résultats précédents."

Les fusions d'étoiles à neutrons binaires en tant que trésor astrophysique

Les étoiles à neutrons sont compactes, restes extrêmement denses d'explosions de supernova. Ils ont à peu près la taille d'une ville avec jusqu'à deux fois la masse de notre Soleil. Comment les riches en neutrons, le comportement de la matière extrêmement dense est inconnu, et il est impossible de créer de telles conditions dans n'importe quel laboratoire sur Terre. Les physiciens ont proposé divers modèles (équations d'état), mais on ne sait pas lequel (le cas échéant) de ces modèles décrit correctement la matière des étoiles à neutrons dans la nature.

Fusions d'étoiles à neutrons binaires, telles que GW170817, qui a été observé dans les ondes gravitationnelles et l'ensemble du spectre électromagnétique en août 2017 - sont les événements astrophysiques les plus passionnants lorsqu'il s'agit d'en apprendre davantage sur la matière dans des conditions extrêmes et la physique nucléaire sous-jacente. De là, les scientifiques peuvent à leur tour déterminer les propriétés physiques des étoiles à neutrons telles que leur rayon et leur masse.

L'équipe de recherche a utilisé un modèle basé sur une description des premiers principes de la façon dont les particules subatomiques interagissent aux hautes densités trouvées à l'intérieur des étoiles à neutrons. Remarquablement, comme le montre l'équipe, les calculs théoriques à des échelles de longueur inférieures à un trillionième de millimètre peuvent être comparés aux observations d'un objet astrophysique à plus de cent millions d'années-lumière.

"C'est un peu ahurissant, " dit Capano. " GW170817 a été causé par la collision de deux objets de la taille d'une ville il y a 120 millions d'années, quand les dinosaures se promenaient ici sur Terre. Cela s'est produit dans une galaxie distante d'un milliard de milliards de kilomètres. À partir de ce, nous avons acquis un aperçu de la physique subatomique."

Quelle est la taille d'une étoile à neutrons ?

La description des premiers principes utilisée par les chercheurs prédit toute une famille d'équations d'état possibles pour les étoiles à neutrons, qui sont directement dérivés de la physique nucléaire. De cette famille, les auteurs ont sélectionné les membres les plus susceptibles d'expliquer différentes observations astrophysiques; ils ont choisi des modèles

• qui sont en accord avec les observations d'ondes gravitationnelles de GW170817 à partir des données publiques LIGO et Virgo,
• qui produisent une étoile à neutrons hyper-massive de courte durée à la suite de la fusion, et
• qui sont en accord avec les contraintes connues sur la masse maximale d'étoiles à neutrons d'après les observations électromagnétiques homologues de GW170817.

Cela a non seulement permis aux chercheurs de dériver des informations solides sur la physique de la matière dense, mais aussi pour obtenir les limites les plus strictes sur la taille des étoiles à neutrons à ce jour.

Futures observations d'ondes gravitationnelles et multi-messagers

"Ces résultats sont passionnants, pas seulement parce que nous avons été en mesure d'améliorer considérablement les mesures du rayon des étoiles à neutrons, mais parce que cela nous donne une fenêtre sur le sort ultime des étoiles à neutrons dans la fusion des binaires, " dit Stéphanie Brown, co-auteur de la publication et titulaire d'un doctorat. étudiant à l'AEI Hanovre. Les nouveaux résultats impliquent que, avec un événement tel que GW170817, les détecteurs LIGO et Virgo à la sensibilité de conception pourront distinguer facilement, des seules ondes gravitationnelles, si deux étoiles à neutrons ou deux trous noirs ont fusionné. Pour GW170817, les observations dans le spectre électromagnétique étaient cruciales pour faire cette distinction.

L'équipe de recherche constate également que pour les binaires mixtes (une étoile à neutrons fusionnant avec un trou noir), les observations de fusion d'ondes gravitationnelles à elles seules auront du mal à distinguer de tels événements des trous noirs binaires. Les observations dans le spectre électromagnétique ou les ondes gravitationnelles postérieures à la fusion seront cruciales pour les différencier.

Cependant, il s'avère que les nouveaux résultats impliquent également que les observations multi-messagers de fusions binaires mixtes sont peu susceptibles de se produire. "Nous avons montré que dans presque tous les cas, l'étoile à neutrons ne sera pas déchirée par le trou noir et plutôt avalée entière, " explique Capano. " Ce n'est que lorsque le trou noir est très petit ou tourne rapidement, peut-il perturber l'étoile à neutrons avant de l'avaler; et alors seulement pouvons-nous nous attendre à voir autre chose que des ondes gravitationnelles."

Un avenir radieux en perspective

Au cours de la prochaine décennie, les détecteurs d'ondes gravitationnelles existants deviendront encore plus sensibles, et des détecteurs supplémentaires commenceront à observer. L'équipe de recherche s'attend à plus de détections d'ondes gravitationnelles très fortes et à d'éventuelles observations multi-messagers de la fusion d'étoiles à neutrons binaires. Chacune de ces fusions offrirait de merveilleuses opportunités d'en apprendre davantage sur les étoiles à neutrons et la physique nucléaire.