Les étoiles à neutrons montrent leur coeur

Publié par Adrien le 12/06/2020 à 09:00
Source: CERN
D'après des calculs théoriques associés à des observations astronomiques, les étoiles à neutrons massives pourraient contenir un coeur rempli de quarks en liberté.


Vue d'artiste de l'intérieur d'une étoile à neutrons. Plus la couche est profonde, plus elle est dense.
(Image: Jyrki Hokkanen, CSC - IT Center for Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir...) Ltd., Finlande)

Explorez l'intérieur d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) à neutrons: vous pensez évidemment y trouver des neutrons. En fait, ce n'est pas si évident. Plus vous irez en profondeur, plus ce sera flou et dense. Les théories ne manquent pas pour prédire ce que renfermerait le centre de ces objets cosmiques. Selon l'une des hypothèses, celui-ci serait rempli de quarks en liberté, qui ne seraient pas enfermés à l'intérieur des neutrons. Selon une autre, il serait composé d'hypérons, des particules contenant au moins un quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.) du type étrange. Selon une troisième, il consisterait en un état exotique de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) appelé "condensat de kaons".

Dans un article récemment publié dans la revue Nature Physics, cinq scientifiques, dont Aleksi Kurkela, membre du département Théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) du CERN, présentent des éléments probants tendant à montrer que le coeur des étoiles à neutrons massives pourrait être rempli de quarks en liberté: une matière quarkonique ressemblant à l'état dense de quarks et de gluons en liberté qui aurait existé juste après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans que...) et qui peut être recréée sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes....) dans des collisionneurs de particules, tels que le Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC).

Pour trouver ces éléments, les scientifiques ont associé aux informations obtenues à partir d'observations astronomiques des calculs théoriques. En effet, si les observations astronomiques donnent des informations sur l'intérieur des étoiles, elles ne peuvent révéler leur composition exacte.

Les calculs théoriques concernaient une description de l'état de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne définition de la phase d'un système est « une région de l'espace des paramètres...) à l'intérieur d'une étoile à neutrons, depuis l'écorce (L'écorce est le revêtement extérieur du tronc, des branches et des racines des arbres, et plus généralement des plantes ligneuses.) jusqu'au centre. L'équipe de scientifiques a recouru à des équations d'état, mettant en relation la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) d'un état de matière avec la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C...) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) - la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) d'énergie contenue dans un système ou une région de l'espace par unité de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.).

L'équipe a ensuite associé à ces calculs deux informations extraites d'observations astronomiques, à savoir le fait que les étoiles à neutrons peuvent avoir une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation...) équivalant à celle de deux soleils, ainsi que les valeurs possibles d'une propriété appelée "déformabilité due aux effets de marée (La marée est le mouvement montant (flux ou flot) puis descendant (reflux ou jusant) des eaux des mers et des océans causé par l'effet...)" pour une étoile à neutrons d'une masse d'environ 1,4 fois celle du Soleil (Soleils est une association à but humanitaire implantée sur le campus de Supélec (École Supérieure d'Electricité).). La déformabilité due aux effets de marée décrit la rigidité d'une étoile soumise aux tensions causées par la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) gravitationnelle exercée par une étoile secondaire ; elle a été établie à partir de l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) gravitationnelles (ondulations de l'espace-temps) émises par la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques,...) de deux étoiles à neutrons.

S'appuyant sur ces éléments théoriques et sur les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...), l'équipe de scientifiques a établi que le coeur des étoiles à neutrons d'une masse de 1,4 fois celle du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) doit être remplie de neutrons. En revanche, les étoiles plus massives pourraient contenir un grand coeur de matière quarkonique. Par exemple, une étoile à neutrons d'une masse deux fois supérieure à celle du Soleil et d'un rayon d'environ 12 km pourrait avoir un coeur de matière quarkonique d'un rayon d'environ 6,5 km, soit environ la moitié du rayon de l'étoile.

"Certes, notre analyse ne permet pas d'exclure entièrement l'existence d'étoiles à neutrons massives ayant un coeur constitué de neutrons, mais elle démontre que l'hypothèse d'un coeur constitué de matière quarkonique n'est pas si singulière, déclare Aleksi Kurkela. Nous avons hâte de prendre en compte dans notre analyse de nouvelles données sur les étoiles à neutrons afin de voir quelle incidence elles auront sur ces conclusions."
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