Les collisions entre étoiles à neutrons sont des événements cosmiques fascinants qui conduisent à la formation de nombreux éléments chimiques. Les températures lors de ces collisions sont exponentiellement élevées, atteignant généralement des centaines de milliards de degrés Celsius.

La collaboration HADES, une grande équipe de chercheurs travaillant dans différentes universités à travers le monde, a récemment recueilli la toute première mesure du rayonnement électromagnétique thermique produit lors des collisions d'étoiles, connu sous le nom de rayonnement du corps noir, dans un cadre de laboratoire. Leur étude, décrit dans un article publié dans Physique de la nature , a conduit à l'observation de températures d'environ 800 milliards de degrés Celsius, comparables à celles qui se produisent lors des collisions d'étoiles.

« Dans notre étude, nous avons brisé des noyaux (par exemple des noyaux d'or) à des énergies relativistes de front, " Joachim Stroth, porte-parole de la collaboration HADES, dit Phys.org. "Cela produit des formes de matière dans des conditions qui n'existent pas normalement. Seules les étoiles à neutrons atteignent de telles densités (ou même plus élevées) et lorsque les étoiles à neutrons fusionnent, leur température peut devenir aussi élevée que dans notre expérience. C'est pourquoi nous pouvons former un type de matière cosmique en laboratoire."

Dans leur étude, Stroth et ses collègues ont utilisé le système de détection HADES du centre d'accélération GSI/FAIR à Darmstadt pour recueillir de nouvelles informations sur les collisions de deux noyaux lourds à des énergies relativistes. Cela leur a permis de recueillir des observations de laboratoire approfondies sur les propriétés microscopiques de l'extrême, états cosmiques de la matière.

Les chercheurs ont spécifiquement créé la matière de chromodynamique quantique (QCD) en tant qu'état transitoire en faisant entrer en collision des ions lourds à des énergies relativistes. Ce type de matière peut exister en différentes phases en fonction d'une série de facteurs, y compris la température, pression et potentiel baryochimique.

En observant les états de la matière QCD, les chercheurs espéraient mieux comprendre la matière et les collisions des étoiles de neurones. Une question clé qu'ils ont entrepris d'étudier était de savoir si les constituants des noyaux, qui sont essentiellement les éléments constitutifs de la matière, peuvent changer leurs propriétés dans des conditions extrêmes.

"Nous avons mesuré le rayonnement électromagnétique ainsi émis par les boules de feu formées lors de la collision, " Expliqua Stroth. Ce rayonnement peut nous en dire beaucoup sur les propriétés des constituants. Cependant, c'est une mesure difficile à atteindre, car les boules de feu vivent très peu de temps (10 ^-22 s) et le rayonnement est rarement émis."

Les hadrons sont des particules composites constituées de trois quarks (baryon) d'un antiquark et d'un quark (méson) maintenus ensemble par la force forte. Lorsque ces particules se désintègrent, ils produisent parfois des photons virtuels, qui sont des photons qui ne peuvent pas être détectés directement car leur existence viole la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.

Ces photons virtuels, qui portent toutes les informations sur les particules subatomiques en décomposition, se désintègrent également immédiatement en paires d'électrons (c'est-à-dire un électron et un positron). Dans leur étude, Stroth et ses collègues ont détecté ces particules à l'aide d'un spectromètre.

"Nous avons observé que la température dans la zone de collision peut atteindre 800 milliards de degrés et que la densité peut atteindre trois fois la densité de saturation nucléaire, " dit Stroth. " Nous constatons que dans de telles conditions, les éléments constitutifs de la matière sont substantiellement modifiés. Cela signifie également que les propriétés de la matière sont très différentes, comme si les blocs de construction ne faisaient que conserver leurs propriétés."

La collaboration HADES est la première équipe de recherche à mesurer avec succès des températures similaires à celles qui se produisent lors de collisions d'étoiles en laboratoire. Les découvertes de cette équipe pourraient considérablement améliorer la compréhension scientifique actuelle des événements de fusion d'étoiles à neutrons, tout en éclairant la production de matière à partir de quarks et de gluons élémentaires.

« Nous construisons actuellement une expérience successeur pour HADES qui sera exploitée dans la nouvelle installation FAIR à partir de 2025, " A déclaré Stroth. "Avec ce détecteur, nous pourrons étendre les mesures à des températures et à une densité plus élevées."

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