Les étoiles à neutrons sont les plus petites, étoiles les plus denses de l'univers, né de l'effondrement gravitationnel d'étoiles extrêmement massives. Fidèle à leur nom, les étoiles à neutrons sont presque entièrement composées de neutrons, des particules subatomiques neutres qui ont été compressées en un petit paquet céleste incroyablement dense.

Une nouvelle étude en La nature , co-dirigé par des chercheurs du MIT, suggère que certaines propriétés des étoiles à neutrons peuvent être influencées non seulement par leur multitude de neutrons denses, mais aussi par une fraction sensiblement plus petite de protons, des particules chargées positivement qui ne représentent que 5 % d'une étoile à neutrons.

Au lieu de regarder les étoiles, les chercheurs sont arrivés à leur conclusion en analysant les noyaux microscopiques des atomes sur Terre.

Le noyau d'un atome est rempli de protons et de neutrons, mais pas aussi dense que dans les étoiles à neutrons. Parfois, s'ils sont assez proches en distance, un proton et un neutron s'apparieront et traverseront le noyau d'un atome avec une énergie inhabituellement élevée. De telles "corrélations à courte portée, " comme on les appelle, peut contribuer de manière significative au bilan énergétique et aux propriétés globales d'un noyau atomique donné.

Les chercheurs ont recherché des signes de paires de protons et de neutrons dans les atomes de carbone, aluminium, fer à repasser, et diriger, chacun avec un rapport de neutrons aux protons progressivement plus élevé. Ils ont trouvé que, à mesure que le nombre relatif de neutrons dans un atome augmente, il en va de même pour la probabilité qu'un proton forme une paire énergétique. La probabilité qu'un neutron s'apparie, cependant, resté à peu près le même. Cette tendance suggère que, dans les objets à haute densité de neutrons, les protons minoritaires transportent une part disproportionnée de l'énergie moyenne.

"Nous pensons que lorsque vous avez un noyau riche en neutrons, en moyenne, les protons se déplacent plus vite que les neutrons, donc dans un certain sens, les protons portent l'action, " dit le co-auteur de l'étude Or Hen, professeur assistant de physique au MIT. "Nous ne pouvons qu'imaginer ce qui pourrait arriver dans des objets encore plus denses en neutrons comme les étoiles à neutrons. Même si les protons sont la minorité dans l'étoile, nous pensons que la minorité règne. Les protons semblent être très actifs, et nous pensons qu'ils pourraient déterminer plusieurs propriétés de l'étoile."

Fouiller dans les données

Hen et ses collègues ont basé leur étude sur les données collectées par CLAS, le spectromètre à grande acceptation CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility), un accélérateur et détecteur de particules basé au Jefferson Laboratory en Virginie. CLAS, qui a fonctionné de 1998 à 2012, a été conçu pour détecter et enregistrer les multiples particules qui sont émises lorsque des faisceaux d'électrons frappent des cibles atomiques.

"Avoir cette propriété d'un détecteur qui voit tout et conserve également tout pour une analyse hors ligne est extrêmement rare, " dit Hen. " Il a même gardé ce que les gens considéraient comme 'le bruit, ' et nous apprenons maintenant que le bruit d'une personne est le signal d'une autre personne."

L'équipe a choisi d'exploiter les données archivées du CLAF à la recherche de signes de corrélations à courte portée, d'interactions que le détecteur n'était pas nécessairement censé produire, mais qu'il capturait quand même.

"Les gens utilisaient le détecteur pour regarder des interactions spécifiques, mais en attendant, il a également mesuré en parallèle un tas d'autres réactions qui ont eu lieu, " dit le collaborateur Larry Weinstein, professeur de physique à l'Université Old Dominion. "Alors nous avons pensé, « Explorons ces données et voyons s'il y a quelque chose d'intéressant là-dedans. » Nous voulons tirer le plus de science possible des expériences qui ont déjà été menées."

Une carte de danse complète

L'équipe a choisi d'exploiter les données CLAS collectées en 2004, lors d'une expérience dans laquelle le détecteur a dirigé des faisceaux d'électrons sur du carbone, aluminium, fer à repasser, et des atomes de plomb, dans le but d'observer comment les particules produites dans les interactions nucléaires se déplacent à travers le volume respectivement plus grand de chaque atome. Avec leurs différentes tailles, chacun des quatre types d'atomes a des rapports différents de neutrons aux protons dans leurs noyaux, le carbone ayant le moins de neutrons et le plomb le plus.

La réanalyse des données a été effectuée par l'étudiant diplômé Meytal Duer de l'Université de Tel Aviv en collaboration avec le MIT et l'Université Old Dominion, et était dirigé par Hen. L'étude globale a été menée par un consortium international appelé la collaboration CLAS, composé de 182 membres de 42 institutions dans 9 pays.

Le groupe a étudié les données pour les signes de protons et de neutrons de haute énergie - des indications que les particules s'étaient appariées - et si la probabilité de cet appariement changeait à mesure que le rapport des neutrons aux protons augmentait.

"Nous voulions partir d'un noyau symétrique et voir, à mesure que nous ajoutons plus de neutrons, comment les choses évoluent, " dit Hen. " Nous n'atteindrions jamais les symétries des étoiles à neutrons ici sur Terre, mais nous pourrions au moins voir une certaine tendance et comprendre à partir de cela, ce qui pourrait se passer dans l'étoile."

À la fin, l'équipe a observé que lorsque le nombre de neutrons dans le noyau d'un atome augmentait, la probabilité de protons ayant de hautes énergies (et s'étant jumelés à un neutron) a également augmenté de manière significative, tandis que la même probabilité pour les neutrons est restée la même.

"L'analogie que nous aimons donner, c'est que c'est comme aller à une soirée dansante, " Poule dit, invoquant un scénario dans lequel les garçons qui pourraient faire équipe avec des filles sur la piste de danse sont largement dépassés en nombre. "Ce qui se passerait, c'est le garçon moyen danserait beaucoup plus, alors même s'ils étaient minoritaires dans le parti, les garçons, comme les protons, serait extrêmement actif."

Hen dit que cette tendance des protons énergétiques dans les atomes riches en neutrons peut s'étendre à des objets encore plus denses en neutrons, comme les étoiles à neutrons. Le rôle des protons dans ces objets extrêmes peut alors être plus important que les gens ne le soupçonnaient auparavant. Cette révélation, Poule dit, pourrait ébranler la compréhension des scientifiques sur le comportement des étoiles à neutrons. Par exemple, comme les protons peuvent transporter beaucoup plus d'énergie qu'on ne le pensait auparavant, ils peuvent contribuer aux propriétés d'une étoile à neutrons telles que sa rigidité, son rapport masse/taille, et son processus de refroidissement.

"Toutes ces propriétés affectent ensuite la fusion de deux étoiles à neutrons, qui, selon nous, est l'un des principaux processus de l'univers qui créent des noyaux plus lourds que le fer, comme l'or, " dit Hen. "Maintenant que nous savons que la petite fraction de protons dans l'étoile est très fortement corrélée, nous devrons repenser le comportement des [étoiles à neutrons]."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.