En modélisant l’intérieur d’étoiles à neutrons, des astrophysiciens ont découvert que ces objets extrêmement denses présentent des structures internes différentes, en fonction de leur masse. Ils suggèrent de considérer les étoiles comme différents types de pralines au chocolat, la délicieuse friandise, mais les similitudes s’arrêtent là.

Image d’entête : représentation de deux étoiles à neutrons sous forme de chocolats géants aux cœurs noisette, déformant la toile de l’espace-remps. (P. Kiefer/ L. Rezzolla)

Les étoiles à neutrons sont les restes extraordinairement denses d’étoiles massives qui ont implosé, elles arrivent justes après les trous noirs en termes de densité. Les étoiles à neutrons sont ainsi nommées parce que leur force gravitationnelle fait s’effondrer les électrons de leurs atomes sur les protons, créant ainsi un objet presque entièrement composé de neutrons. Leurs champs gravitationnels sont très intenses. Si un observateur humain s’en approchait, il serait déchiqueté au niveau atomique. Leurs champs gravitationnels sont si puissants qu’une « montagne » sur une étoile à neutrons ferait moins d’un millimètre de haut.

L’équipe de recherche a récemment construit des millions de modèles pour tenter de discerner le fonctionnement interne de ces étoiles, qui sont remarquablement difficiles à étudier et qui, par conséquent, relèvent davantage du domaine de la théorie que de l’observation.

Les chercheurs ont découvert que les plus légères étoiles à neutrons, celles dont la masse est égale ou inférieure à 1,7 fois celle de notre Soleil (masse solaire), devraient avoir des manteaux mous et des noyaux rigides. Les étoiles à neutrons plus lourdes présentent l’inverse, selon les conclusions de l’équipe, publiées cette semaine (lien plus bas).

Ainsi, Luciano Rezzolla, astrophysicien à l’Institut de physique théorique et qui a dirigé les recherches, a comparé la structure des étoiles à des pralines en chocolat :

Les étoiles légères ressemblent à ces chocolats qui ont une noisette en leur centre entourée de chocolat mou, alors que les étoiles lourdes peuvent être considérées davantage comme ces chocolats où une couche dure contient un remplissage mou.

Les chercheurs ont modélisé plus d’un million de scénarios possibles pour la composition des étoiles à neutrons, en se basant sur les prévisions concernant la masse, la pression, le volume et la température de l’étoile, ainsi que sur les observations astronomiques de ces objets.

La modélisation est une méthode essentielle pour les étudier, car seuls quelques appareils sur Terre, comme le Grand collisionneur de hadrons du CERN et l’instrument Matter in Extreme Conditions du Laboratoire national de l’accélérateur SLAC,  sont capables de reproduire une physique aussi intense.

Pour déterminer la consistance des étoiles, les chercheurs ont modélisé la façon dont la vitesse du son se déplacerait à travers ces objets. Les ondes sonores sont également utilisées pour connaitre la structure interne des planètes, comme l’a fait l’atterrisseur InSight sur Mars.

Les chercheurs ont ainsi montré en construisant des millions de modèles d’équation d’état (à partir desquels la vitesse du son peut être calculée), que les étoiles à neutrons extrêmement massives ont une vitesse du son plus faible dans la région du noyau que dans leurs couches extérieures. Pour les chercheurs, cela laisse supposer à un changement de matière dans leurs noyaux, comme par exemple une transition de la matière baryonique à la matière quark.

Les chercheurs ont également découvert que toutes les étoiles à neutrons mesurent probablement 12 km de diamètre, quelle que soit leur masse. Cette mesure représente moins de la moitié de celle obtenue en 2020, selon laquelle l’étoile à neutrons typique mesurait environ 22 km de diamètre. Malgré cette taille, la masse moyenne des étoiles à neutrons est d’environ un demi-million de Terres (masse terrestre).

Si les résultats donnent un aperçu de la diversité des étoiles à neutrons en termes de consistance, les chercheurs n’ont pas étudié les composants des étoiles ni la façon dont ils s’assemblent. Certains soupçonnent que les étoiles à neutrons sont des neutrons à part entière, d’autres que le centre des étoiles sont des usines à particules exotiques non identifiées jusqu’à présent.

Elles restent des énigmes, mais heureusement, des observatoires ont été mis en place pour recueillir des données plus directes. Les fusions (c’est-à-dire les collisions violentes) entre étoiles à neutrons et avec des trous noirs peuvent révéler la masse des objets concernés, ainsi que la nature de la matière des étoiles à neutrons.

Des projets tels que la mission NICER, le NANOGrav, le radiotélescope CHIME et les collaborations scientifiques LIGO et Virgo permettent aux physiciens de mieux connaître la taille et la structure des étoiles à neutrons.

Des données d’observation supplémentaires peuvent être introduites dans les modélisations afin de mieux estimer l’aspect des étoiles. Les chercheurs ajoutent que les étoiles à neutrons très massives (de l’ordre de deux masses solaires) seraient particulièrement utiles pour mieux cerner les caractéristiques physiques de ces objets extrêmes.

Les deux études publiées dans The Astrophysical Journal Letters :

• On the Sound Speed in Neutron Stars
• A General, Scale-independent Description of the Sound Speed in Neutron Stars

… et présentée sur le site de l’Université Johann Wolfgang Goethe de Francfort-sur-le-Main : Cosmic chocolate pralines: general neutron star structure revealed.

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