Parfois, la science peut être fortuite.

C'était certainement le cas lorsque l'ancien professeur de l'UConn, Greg Huber, est tombé sur une image dans un journal de physique qui ressemblait à l'empilement, couches uniformément espacées d'un garage de stationnement à plusieurs étages. Une équipe de chercheurs annonçait que de telles structures pourraient exister profondément dans la croûte externe des étoiles à neutrons sous forme de pâtes nucléaires. (Plus à ce sujet plus tard.)

À Huber, l'image était quelque chose de complètement différent. Il s'agissait d'un affichage classique des structures microscopiques trouvées dans le cytoplasme cellulaire que lui et ses collègues de l'UConn ont aidé à découvrir plusieurs années plus tôt. Dans un article de 2014, Huber les a surnommées "rampes Terasaki" d'après le biologiste cellulaire de l'UConn Mark Terasaki, son ancien collègue (et voisin de West Hartford), qui a été le premier à les repérer.

Mais ces nouvelles structures étaient loin de chez nous. Comment des formes étonnamment similaires sont apparues à la fois dans de minuscules cellules vivantes sur Terre et dans des étoiles à neutrons inanimées massivement denses à des milliers d'années-lumière, fasciné Huber. Il a contacté le chercheur principal de la publication de la revue, Charles Horowitz, un physicien nucléaire à l'Université de l'Indiana, qui se trouve être l'un des anciens professeurs de Huber lorsqu'il fréquente le MIT. (Plus de sérendipité ?)

Après que Huber et Horowitz eurent parlé, ils ont réalisé les avantages potentiels d'une collaboration. Leur enquête sur les similitudes structurelles paraît ce mois-ci dans la revue Examen physique C .

"Je lui ai essentiellement dit (Horowitz) que nous voyons des choses très similaires dans le réticulum endoplasmique des cellules eucaryotes, " dit Huber, un biophysicien de la matière molle qui est maintenant directeur adjoint du Kavli Institute for Theoretical Physics de l'Université de Californie, Santa Barbara. "Nous voyons les mêmes feuilles régulièrement espacées reliées par des rampes en spirale (les garages de stationnement). Nous voyons également des jonctions tubulaires à trois voies similaires avec des angles de 120 degrés, tout comme ils le voyaient."

On pense que les rampes de Terasaki trouvées dans les cellules aident à maximiser la synthèse des protéines en fournissant une plus grande surface pour que les ribosomes se regroupent et construisent des protéines.

Les structures de « parking » trouvées dans les étoiles à neutrons semblent jouer un rôle bien différent.

Alors que les motifs structurels de l'étoile à neutrons semblent presque identiques à ceux de Huber et Terasaki trouvés à l'intérieur des cellules, les échelles physiques et les niveaux d'énergie sont hors normes. Les étoiles à neutrons se forment lorsque des étoiles plus grosses meurent et s'effondrent sur elles-mêmes. Ce sont les étoiles les plus petites et les plus denses connues. La seule chose plus dense est un trou noir. La croûte externe d'une étoile à neutrons est de 14 ordres de grandeur plus dense que l'environnement aqueux d'une cellule. Le champ gravitationnel de l'étoile est 2×10¹¹ fois celui trouvé sur Terre, et les étoiles à neutrons peuvent tourner plusieurs centaines de fois par seconde.

D'autre part, la biologie à l'échelle cellulaire repose sur, ce qui nous semble, un environnement relativement banal dominé par l'entropie de l'eau et l'assemblage de biomolécules. Les deux objets ne pourraient pas être plus différents en termes d'échelles de température, échelles de pression, échelles de longueur, etc., dit Huber. Pourtant géométriquement, leurs structures de type garage de stationnement « rampe Terasaki » semblent identiques.

« En physique, nous voyons souvent que la nature utilise des formes similaires même si les matériaux sous-jacents sont complètement différents, " dit Huber. " Il y a un motif qui est plus profond que les détails de l'étoffe qui le compose. "

Les recherches de Huber et Horowitz ont soulevé des questions intrigantes.

L'une de leurs premières conclusions était que les formes des rampes Terasaki peuvent être dictées autant par les règles de la géométrie que par toute autre chose, et peut être indépendant d'autres considérations microscopiques.

Dans les étoiles à neutrons, les structures peuvent réduire la conductivité électrique et thermique dans la croûte de l'étoile, impactent la façon dont la croûte se refroidit, et peut-être jouer un rôle dans la désintégration éventuelle des champs magnétiques de l'étoile, Huber et Horowitz disent. Ou pas. Alternativement, les couches superposées et les rampes hélicoïdales peuvent permettre aux protons de s'infiltrer dans tout le système externe de l'étoile à neutrons, le rendant supraconducteur.

Cette première étude, Huber dit, n'est que le début d'une nouvelle voie de recherche.

Avec les étoiles à neutrons si loin, des physiciens nucléaires comme Horowitz s'appuient sur une modélisation informatique avancée pour illustrer leurs diverses théories. Les différentes structures qui ont été identifiées dans les étoiles à neutrons sont connues sous le nom de « pâtes nucléaires » en raison de leur forme semblable à celle des pâtes. Il y a une phase de spaghetti en forme de ruban, une phase de lasagne en forme de feuille, et même une phase compacte de gnocchis. Les différentes phases se forment dans une zone de transition intense entre l'enveloppe externe de l'étoile et le noyau ultra-dense.

Mais maintenant qu'une connexion a été établie avec les rampes Terasaki, les physiciens nucléaires devraient être en mesure d'emprunter des idées aux études au niveau cellulaire qui sont en cours pour améliorer leur propre modélisation de la façon dont les forces physiques façonnent quelque chose d'aussi grand et inconnu que les étoiles à neutrons.

« Une façon de voir les choses est que la physique utilise des structures encore et encore, " dit Huber. " C'est presque comme si la physique recycle les structures et les motifs fondamentaux. Les mêmes équations apparaissent malgré ce qu'est le système. Nous observons des schémas similaires malgré d'énormes disparités d'échelle et d'énergie. Grâce à ces nouvelles informations, nous pouvons créer de meilleurs modèles qui pourraient nous aider à mieux comprendre pourquoi la croûte d'une étoile à neutrons se comporte d'une certaine manière."

On a dit que nous avons tous une certaine dette de gratitude envers les stars, comme éléments fondamentaux de la vie – l'hydrogène, oxygène, fer à repasser, carbone - est venu de la poussière d'étoile. Mais Huber et ses collègues sont heureux de laisser aux philosophes des questions concernant notre interdépendance universelle. Pour l'instant, leur accent est mis sur les « pâtes, ''Rampes Terasaki, ' et ces mystérieuses étoiles à neutrons qui tournent dans le ciel.