Le 14 août 2019, la collaboration LIGO-Virgo a détecté un signal d'onde gravitationnelle qui serait associé à la fusion d'un système stellaire binaire composé d'un trou noir d'une masse de 23 fois la masse du soleil (M⊙) et d'un objet compact d'une masse de environ 2,6 M⊙. La nature de l'étoile secondaire de GW190814 est énigmatique, puisque, selon les observations astronomiques actuelles, il pourrait s'agir de l'étoile à neutrons la plus lourde ou du trou noir le plus léger jamais observé.

Chercheurs à l'Université de Pise, L'Université de Ferrare et l'Institut national de physique nucléaire (INFN) en Italie ont récemment mené une étude explorant la possibilité que la source de l'événement GW190814 détecté par LIGO-Virgo soit un système d'étoiles à quarks étranges de trou noir. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , est basé sur un modèle astrophysique qu'ils ont développé il y a plusieurs années.

"La première condition requise par notre modèle est que la densité centrale des étoiles à neutrons massives soit suffisamment élevée pour permettre une transition d'une phase de matière nucléaire "normale" (un fluide constitué de neutrons, protons et éventuellement d'autres particules telles que les hypérons) à une nouvelle phase qui consiste en un fluide constitué des trois types de quarks les plus légers, à savoir le haut (u), les quarks down (d) et étranges (s) (la matière dite de quarks étranges), " Ignazio Bombaci, Alessandro Drago, Domenico Logoteta, Giuseppe Pagliara et Isaac Vidaña, les chercheurs qui ont mené l'étude, a dit à Phys.org par e-mail. "En outre, si la matière des quarks étranges est absolument stable (hypothèse dite de Bodmer-Terezawa-Witten) alors la transition est du premier ordre, et les étoiles à neutrons « normales » au-delà d'une valeur seuil de leur masse deviennent métastables et peuvent être converties en étoiles à quarks étranges. »

Le scénario astrophysique exploré par Bombaci et ses collègues propose que dans la nature, il y a deux familles coexistantes d'étoiles compactes, à savoir les étoiles à neutrons « normales » et les étoiles à quarks étranges. De plus, lorsqu'une étoile à neutrons est convertie en une étrange étoile à quarks, il libère une quantité importante d'énergie (environ 10 ⁵³ erg), qui ressemble à l'énergie libérée lors d'une explosion de supernova.

"Une idée fausse commune et toujours populaire est que la transition de phase vers la matière étrange des quarks rend le matériau stellaire plus doux, c'est-à-dire plus compressible, ", ont expliqué les chercheurs. "Cette idée fausse est basée sur la croyance erronée que les quarks peuvent être considérés comme des particules sans interaction (gaz de Fermi idéal). L'introduction d'une dynamique des quarks plus sophistiquée a indiqué sans équivoque que la matière des quarks étranges est assez rigide, et les étoiles à quarks étranges peuvent ainsi avoir de grandes masses jusqu'à presque environ trois fois la masse du soleil (M⊙)."

Lorsque Bombaci et ses collègues ont examiné pour la première fois les données associées à l'événement d'onde gravitationnelle GW190814, spécifiquement la valeur de la masse de l'objet compact secondaire du système binaire (c'est-à-dire, 2,50 × 2,67 M⊙), ils ont réalisé que cet objet pourrait faire partie de la deuxième famille d'étoiles compactes (c'est-à-dire, une étoile quark étrange de masse élevée).

Selon le paradigme actuellement accepté en astronomie, il n'y a qu'une seule famille d'étoiles compactes (c'est-à-dire, la famille des étoiles à neutrons). En outre, le paradigme suggère qu'il existe une correspondance biunivoque entre la densité et la pression centrales d'une étoile à neutrons et sa masse et son rayon. Cela signifie que la mesure de la masse et du rayon de plusieurs étoiles à neutrons individuelles pourrait permettre aux chercheurs de déduire la relation entre la pression et la densité de la matière stellaire, déterminer l'équation dite de l'état de la matière dense.

Comme dans le scénario envisagé par Bombaci et ses collègues, il y a deux familles coexistantes d'étoiles compactes; leur lien avec l'équation d'état de la matière dense devrait idéalement être exploré dans une perspective nouvelle et différente.

"Selon nous, c'est l'un des enseignements les plus significatifs que nos travaux apportent aux domaines de l'astrophysique et de la physique de la matière dense, " les chercheurs ont dit. " Une autre implication pertinente est que dans notre scénario, il existe trois types de fusions possibles :étoile à neutrons-étoile à neutrons, étoile à neutrons–étoile à quarks étrange, étoile à quark étrange–étoile à quark étrange. La phénoménologie des fusions est donc très différente du cas où il n'y a qu'une seule famille d'étoiles compactes."

Le récent article de Bombaci et de ses collègues décrit trois types différents de fusions possibles entre les stars. En outre, cela suggère que si la matière des quarks étranges est absolument stable, même la matière noire pourrait être, au moins en partie, fait de gros morceaux de haut, down et quarks étranges. Cette hypothèse n'a encore été écartée par aucune observation expérimentale.

Les futures données collectées par les détecteurs d'ondes gravitationnelles combinées à des mesures précises de la masse et du rayon pourraient aider à tester davantage l'hypothèse introduite par cette équipe de chercheurs.

"En particulier, nous devrions avoir la possibilité de tester notre modèle de scénario à deux familles contre des contraintes plus strictes, ", ont déclaré les chercheurs. "Nous espérons également tirer des enseignements de la phénoménologie des fusions, en particulier à partir de l'analyse du signal kilonova :le signal attendu est assez différent dans notre scénario de celui dans lequel il n'existe qu'une seule famille d'étoiles compactes."

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