La possibilité de mesurer les ondes gravitationnelles de deux étoiles à neutrons en fusion pourrait offrir des réponses à certaines des questions fondamentales sur la structure de la matière. Aux températures et densités extrêmement élevées dans la fusion, les scientifiques ont conjecturé une transition de phase dans laquelle les neutrons se dissolvent dans leurs quarks et gluons constitutifs. Dans le numéro actuel de Lettres d'examen physique , deux groupes de recherche internationaux rendent compte de leurs calculs sur ce à quoi ressemblerait la signature d'une telle transition de phase dans une onde gravitationnelle.

Quarks, les plus petits éléments constitutifs de la matière, n'apparaissent jamais seuls dans la nature. Ils sont toujours étroitement liés à l'intérieur des protons et des neutrons. Cependant, étoiles à neutrons pesant autant que le soleil, mais étant juste de la taille d'une ville comme Francfort, possèdent un noyau si dense qu'une transition de la matière neutronique à la matière quark peut se produire. Les physiciens appellent ce processus une transition de phase, similaire à la transition liquide-vapeur dans l'eau. En particulier, une telle transition de phase est, en principe, possible lorsque la fusion d'étoiles à neutrons forme un objet métastable très massif avec des densités supérieures à celle des noyaux atomiques et avec des températures de 10, 000 fois plus élevé que dans le noyau solaire.

La mesure des ondes gravitationnelles émises par la fusion des étoiles à neutrons pourrait servir de messager d'éventuelles transitions de phase dans l'espace. La transition de phase devrait laisser une signature caractéristique dans le signal d'onde gravitationnelle. Les groupes de recherche de Francfort, Darmstadt et Ohio (Goethe University/FIAS/GSI/Kent University) ainsi que de Darmstadt et Wroclaw (GSI/Wroclaw University) ont utilisé des superordinateurs modernes pour calculer à quoi pourrait ressembler cette signature. Dans ce but, ils ont utilisé plusieurs modèles théoriques de la transition de phase.

Dans le cas où une transition de phase a lieu plus après la fusion proprement dite, de petites quantités de quarks apparaîtront progressivement dans tout l'objet fusionné. "Avec l'aide des équations d'Einstein, nous avons pu montrer pour la première fois que ce changement subtil dans la structure produira une déviation du signal d'onde gravitationnelle jusqu'à ce que l'étoile à neutrons massive nouvellement formée s'effondre sous son propre poids pour former un trou noir, " explique Luciano Rezzolla, qui est professeur d'astrophysique théorique à l'Université Goethe.

Dans les modèles informatiques du Dr Andreas Bauswein du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung à Darmstadt, une transition de phase se produit déjà directement après la fusion :un noyau de matière de quark se forme à l'intérieur de l'objet central. "Nous avons réussi à montrer que dans ce cas, il y aura un décalage distinct de la fréquence du signal d'onde gravitationnelle, " dit Bauswein. " Ainsi, nous avons identifié un critère mesurable pour une transition de phase dans les ondes gravitationnelles des fusions d'étoiles à neutrons à l'avenir."

Tous les détails du signal des ondes gravitationnelles ne sont pas encore mesurables avec des détecteurs de courant. Cependant, ils deviendront observables à la fois avec la prochaine génération de détecteurs, ainsi qu'avec un événement de fusion relativement proche de nous. Une approche complémentaire pour répondre aux questions sur la matière des quarks est offerte par deux expériences :par collision d'ions lourds dans l'installation HADES existante au GSI et dans le futur détecteur CBM de l'Installation de recherche sur les antiprotons et les ions (FAIR), qui est actuellement en construction chez GSI, de la matière nucléaire comprimée sera produite. Dans les collisions, il pourrait être possible de créer des températures et des densités similaires à celles d'une fusion d'étoiles à neutrons. Les deux méthodes donnent de nouvelles informations sur l'occurrence des transitions de phase dans la matière nucléaire et donc sur ses propriétés fondamentales.