Un groupe de recherche finlandais a trouvé des preuves solides de la présence de matière de quark exotique à l'intérieur du cœur des plus grandes étoiles à neutrons existantes. Ils sont arrivés à cette conclusion en combinant des résultats récents de la physique théorique des particules et nucléaire aux mesures des ondes gravitationnelles provenant des collisions d'étoiles à neutrons.

Toute la matière normale qui nous entoure est composée d'atomes, dont les noyaux denses, comprenant des protons et des neutrons, sont entourés d'électrons chargés négativement. Cependant, à l'intérieur des étoiles à neutrons, la matière atomique est connue pour s'effondrer en une matière nucléaire immensément dense dans laquelle les neutrons et les protons sont entassés si étroitement que l'étoile entière peut être considérée comme un seul énorme noyau.

Jusqu'à maintenant, on ne sait toujours pas si la matière nucléaire dans le cœur des étoiles à neutrons les plus massives s'effondre dans un état encore plus exotique appelé matière de quark, dans lequel les noyaux eux-mêmes n'existent plus. Des chercheurs de l'Université d'Helsinki affirment désormais que la réponse à cette question est oui. Les nouveaux résultats ont été publiés dans Physique de la nature .

"Confirmer l'existence de noyaux de quarks à l'intérieur des étoiles à neutrons a été l'un des objectifs les plus importants de la physique des étoiles à neutrons depuis que cette possibilité a été envisagée pour la première fois il y a environ 40 ans, " déclare le professeur agrégé Aleksi Vuorinen du département de physique de l'Université d'Helsinki.

Existence très probable

Avec même des simulations à grande échelle exécutées sur des superordinateurs incapables de déterminer le sort de la matière nucléaire à l'intérieur des étoiles à neutrons, le groupe de recherche finlandais a proposé une nouvelle approche du problème. Ils ont réalisé qu'en combinant les découvertes récentes de la physique théorique des particules et nucléaire avec des mesures astrophysiques, il pourrait être possible de déduire les caractéristiques et l'identité de la matière résidant à l'intérieur des étoiles à neutrons.

En plus de Vuorinen, le groupe comprend le doctorant Eemeli Annala d'Helsinki, ainsi que leurs collègues Tyler Gorda de l'Université de Virginie, Aleksi Kurkela du CERN, et Joonas Nättilä de l'Université de Columbia.

Selon l'étude, la matière résidant à l'intérieur du cœur des étoiles à neutrons stables les plus massives ressemble beaucoup plus à la matière des quarks qu'à la matière nucléaire ordinaire. Les calculs indiquent que dans ces étoiles, le diamètre du noyau identifié comme matière de quark peut dépasser la moitié de celui de l'ensemble de l'étoile à neutrons. Cependant, Vuorinen souligne qu'il existe encore de nombreuses incertitudes liées à la structure exacte des étoiles à neutrons. Que signifie affirmer que la matière des quarks a presque certainement été découverte ?

"Il y a encore une chance faible mais non nulle que toutes les étoiles à neutrons soient composées uniquement de matière nucléaire. Ce que nous avons pu faire, cependant, est de quantifier ce que ce scénario nécessiterait. En bref, le comportement de la matière nucléaire dense devrait alors être vraiment particulier. Par exemple, la vitesse du son devrait atteindre presque celle de la lumière, " explique Vuorinen.

Détermination du rayon à partir des observations d'ondes gravitationnelles

Un facteur clé contribuant aux nouvelles découvertes a été l'émergence de deux résultats récents en astrophysique d'observation :la mesure des ondes gravitationnelles à partir d'une fusion d'étoiles à neutrons et la détection d'étoiles à neutrons très massives, avec des masses proches de deux masses solaires.

A l'automne 2017, les observatoires LIGO et Virgo détectés, pour la première fois, ondes gravitationnelles générées par la fusion de deux étoiles à neutrons. Cette observation a fixé une limite supérieure rigoureuse pour une quantité appelée déformabilité de marée, qui mesure la susceptibilité de la structure d'une étoile en orbite au champ gravitationnel de son compagnon. Ce résultat a ensuite été utilisé pour dériver une limite supérieure pour les rayons des étoiles à neutrons en collision, qui s'est avéré être d'environ 13 km.

De la même manière, alors que la première observation d'une étoile à neutrons remonte à 1967, des mesures précises de la masse de ces étoiles ne sont possibles que depuis une vingtaine d'années. La plupart des étoiles dont les masses sont connues avec précision tombent à l'intérieur d'une fenêtre comprise entre 1 et 1,7 masses stellaires, mais la dernière décennie a vu la détection de trois étoiles atteignant ou peut-être même légèrement dépassant la limite des deux masses solaires.

D'autres observations attendues

Un peu contre-intuitivement, les informations sur les rayons et les masses des étoiles à neutrons ont déjà considérablement réduit les incertitudes liées aux propriétés thermodynamiques de la matière des étoiles à neutrons. Cela a également permis de compléter l'analyse présentée par le groupe de recherche finlandais dans leur Physique de la nature article.

Dans la nouvelle analyse, les observations astrophysiques ont été combinées avec des résultats théoriques de pointe issus de la physique des particules et nucléaire. Cela a permis de dériver une prédiction précise de ce que l'on appelle l'équation d'état de la matière des étoiles à neutrons, qui fait référence à la relation entre sa pression et sa densité d'énergie. Une partie intégrante de ce processus était un résultat bien connu de la relativité générale, qui relie l'équation d'état à une relation entre les valeurs possibles des rayons et des masses des étoiles à neutrons.

Depuis l'automne 2017, un certain nombre de nouvelles fusions d'étoiles à neutrons ont été observées, et LIGO et Virgo sont rapidement devenus une partie intégrante de la recherche sur les étoiles à neutrons. C'est cette accumulation rapide de nouvelles informations d'observation qui joue un rôle clé dans l'amélioration de la précision des nouvelles découvertes du groupe de recherche finlandais, et en confirmant l'existence de la matière des quarks à l'intérieur des étoiles à neutrons. Avec d'autres observations attendues dans un proche avenir, les incertitudes associées aux nouveaux résultats diminueront également automatiquement.

"Il y a des raisons de croire que l'âge d'or de l'astrophysique des ondes gravitationnelles ne fait que commencer, et que nous assisterons bientôt à de nombreux autres sauts comme celui-ci dans notre compréhension de la nature, " Vuorinen se réjouit.