Une supernova, l'explosion d'une étoile naine blanche ou massive, peut créer autant de lumière que des milliards d'étoiles normales. Ce phénomène astronomique transitoire peut se produire à tout moment après qu'une étoile a atteint ses derniers stades évolutifs.

On pense que les supernovae sont associées à des conditions physiques extrêmes, bien plus extrêmes que celles observées lors de tout autre phénomène astrophysique connu dans l'univers, à l'exception du Big Bang. Dans les supernovae impliquant une étoile massive, le noyau de l'étoile peut s'effondrer en une étoile à neutrons, tandis que le reste est expulsé dans l'explosion.

Au cours de ces violentes explosions stellaires, les températures dans l'étoile à neutrons nouveau-née peuvent atteindre plus de 600 milliards de degrés, et les densités peuvent être jusqu'à 10 fois supérieures à celles des noyaux atomiques. L'étoile à neutrons chaude issue de ce type de supernova est une source importante de neutrinos et pourrait donc être un modèle idéal pour les études de physique des particules.

Depuis plusieurs décennies, les astronomes et les astrophysiciens ont essayé de se préparer à l'apparition d'une supernova, concevoir des modèles théoriques et informatiques qui pourraient aider à la compréhension actuelle de cet événement cosmologique fascinant. Ces modèles pourraient aider à analyser et à mieux comprendre les nouvelles données collectées à l'aide de détecteurs de pointe et d'autres instruments, en particulier ceux conçus pour mesurer les neutrinos et les ondes gravitationnelles.

En 1987, les chercheurs ont pu observer des neutrinos produits dans une supernova pour la première et, jusque là, seule fois, à l'aide d'instruments appelés détecteurs de neutrinos. Ces neutrinos avaient voyagé jusqu'à la Terre sur une période d'environ dix secondes, Donc, leur observation a fourni une mesure de la vitesse à laquelle les restes d'une supernova ont pu se refroidir.

Depuis des décennies maintenant, cette mesure était considérée comme la limite de la rapidité avec laquelle les particules exotiques peuvent refroidir un reste de supernova. Depuis son introduction en 1987, ce point de référence, connue sous le nom de "contrainte de refroidissement de la supernova, " a été largement utilisé pour étudier les extensions du modèle standard, la théorie primaire de la physique des particules décrivant les forces fondamentales dans l'univers.

Des chercheurs de l'Institut Max Planck d'astrophysique en Allemagne et de l'Université de Stanford ont récemment mené une étude sur le potentiel des supernovae en tant que plateformes pour dévoiler une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , explore spécifiquement le rôle que les muons, particules qui ressemblent à des électrons mais ont des masses beaucoup plus grandes, pourrait jouer dans le refroidissement des restes de supernova.

« Alors que le concept de « contraintes de refroidissement des supernovas » existe depuis des décennies, la communauté n'a que récemment commencé à apprécier le rôle que les muons peuvent jouer dans les supernovae, et comme résultat, très peu de travaux ont été effectués sur la façon dont les nouvelles particules qui se couplent principalement aux muons pourraient affecter le refroidissement, " Guillaume De Rocco, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Nous avons réalisé qu'en exécutant des simulations de pointe de muons dans les supernovae, nous pourrions placer une borne de refroidissement sur ces accouplements exotiques, et c'est ainsi qu'est né le projet."

La récente étude présentée dans Lettres d'examen physique est le fruit d'une collaboration entre deux équipes de chercheurs, un à l'Institut Max Planck et un à Stanford. L'équipe de l'Institut Max Planck, composé de Robert Bolling et Hans-Thomas Janka, a exécuté une série de simulations de supernova qui incluaient des effets muoniques, tout en incorporant certaines des découvertes les plus récentes sur la physique des supernovae.

Ces simulations ont conduit à la création de la plus grande bibliothèque existante de profils de supernova comprenant des muons, qui est désormais accessible au public et accessible à tous les chercheurs en astrophysique du monde entier. Ensuite, De Rocco et le reste de l'équipe de Stanford ont utilisé cette bibliothèque pour calculer les taux de production de particules de type axion, essayant de déterminer où dans l'espace des paramètres leur production violerait la contrainte de refroidissement définie en 1987.

"Des modèles de plus en plus détaillés des processus complexes dans les supernovae nous permettent encore d'utiliser les mesures de neutrinos vieilles de 33 ans liées à Supernova 1987A pour apprendre de nouveaux aspects sur les phénomènes des particules, qui sont difficiles à explorer dans les expériences de laboratoire, " Janka a déclaré à Phys.org. "William et Peter ont contacté mon postdoctorant Robert et moi-même avec leurs nouvelles idées par e-mail, nous nous sommes donc associés pour unir nos forces sur ce projet de recherche pendant le confinement COVID-19 des deux côtés, communiquer par e-mail et lors de visioconférences."

DeRocco, Janka, et leurs collègues ont démontré que les supernovae pouvaient être de puissants modèles de laboratoire pour rechercher une nouvelle physique muonique, quelque chose qui n'a pas été pleinement apprécié jusqu'à présent. Leurs travaux ont déjà inspiré d'autres équipes de recherche à rechercher une physique exotique au-delà du modèle standard en étudiant les muons dans les supernovae. À l'avenir, cet article pourrait ainsi ouvrir la voie à de nouvelles découvertes fascinantes sur les particules dans l'univers et les phénomènes cosmologiques.

"Je pense qu'il y a encore une mine d'informations que les supernovae peuvent nous fournir sur les extensions possibles du modèle standard, " a déclaré DeRocco. " Jusqu'à présent, nous n'avons vu que les neutrinos d'une supernova galactique, mais la vitesse à laquelle les supernovae se déclenchent dans notre galaxie est estimée à environ deux fois par siècle, nous avons donc de bonnes chances d'en voir un autre dans les prochaines décennies. Avec les détecteurs considérablement avancés que nous avons construits depuis 1987, les informations que nous recevrions de l'observation de la prochaine supernova galactique sont vastes et passionnantes sur lesquelles spéculer. C'est peut-être dans les neutrinos de supernova que nous ferons notre première observation au-delà des modèles physiques standard !"

© 2020 Réseau Science X