Sonder les mystères des étoiles à neutrons avec un analogue terrestre surprenant

Depuis la découverte des étoiles à neutrons, les chercheurs utilisent leurs propriétés inhabituelles pour sonder notre univers. Résidus super denses d’explosions stellaires, les étoiles à neutrons ont une masse supérieure à celle du Soleil dans une boule à peu près aussi large que San Francisco. Une seule tasse de cette matière stellaire pèserait à peu près autant que le mont Everest.

Ces corps célestes étranges pourraient nous alerter de perturbations lointaines dans le tissu de l’espace-temps, nous renseigner sur la formation des éléments et percer les secrets du fonctionnement de la gravité et de la physique des particules dans certaines des conditions les plus extrêmes de l’univers.

« Ils sont au centre de nombreuses questions ouvertes en astronomie et en astrophysique », explique l’astrophysicienne Vanessa Graber de l’Institut des sciences spatiales de Barcelone.

Mais pour interpréter avec précision certains des signaux des étoiles à neutrons, les chercheurs doivent d’abord comprendre ce qui se passe à l’intérieur. Ils ont leurs intuitions, mais expérimenter directement sur une étoile à neutrons est hors de question. Les scientifiques ont donc besoin d’un autre moyen de tester leurs théories. Le comportement de la matière dans un objet aussi dense est si compliqué que même les simulations informatiques ne sont pas à la hauteur. Mais les chercheurs pensent avoir trouvé une solution : un analogue terrestre.

Bien que les jeunes étoiles à neutrons puissent avoir des températures de plusieurs millions de degrés à l’intérieur, par une mesure énergétique importante, les neutrons sont considérés comme « froids ». Les physiciens pensent que c’est une caractéristique qu’ils peuvent exploiter pour étudier le fonctionnement interne des étoiles à neutrons. Au lieu de regarder vers le ciel, les chercheurs scrutent des nuages ​​d’atomes ultrafroids créés dans des laboratoires ici sur Terre. Et cela pourrait les aider à répondre enfin à certaines questions de longue date sur ces objets énigmatiques.

Bizarreries spatiales

L’existence d’étoiles à neutrons a été proposée pour la première fois en 1934, deux ans après la découverte du neutron lui-même, lorsque les astronomes Walter Baade et Fritz Zwicky se sont demandé s’il pouvait rester un corps céleste entièrement constitué de neutrons après l’explosion d’une supernova. Bien qu’ils n’aient pas bien compris tous les détails, leur idée générale est maintenant largement acceptée.

Les étoiles s’alimentent en fusionnant les noyaux d’atomes plus légers avec ceux d’atomes plus lourds. Mais lorsque les étoiles manquent de ces atomes plus légers, la fusion nucléaire s’arrête et il n’y a plus de pression extérieure pour lutter contre la force de gravité intérieure. Le noyau s’effondre et la couche externe de l’étoile se précipite vers l’intérieur. Lorsque cette couche frappe le noyau dense, elle rebondit et explose vers l’extérieur, produisant une supernova. Le noyau dense qui reste après est une étoile à neutrons.

Ce n’est que dans les années 1960 que les hypothétiques étoiles à neutrons de Zwicky et Baade ont finalement été détectées. Le radioastronome Jocelyn Bell Burnell a remarqué un signal d’onde radio étrange et régulièrement pulsé provenant de l’espace alors qu’il travaillait comme étudiant diplômé à l’Université de Cambridge. Elle détectait quelque chose qui n’avait jamais été vu auparavant : un type spécial d’étoile à neutrons appelée pulsar, qui émet des faisceaux de rayonnement à intervalles réguliers pendant sa rotation, comme un phare. (Son conseiller, ainsi que le directeur de l’observatoire – mais pas Bell Burnell – ont reçu plus tard le prix Nobel pour la découverte.)

Depuis, des milliers d’étoiles à neutrons ont été détectées. En tant que certains des objets les plus denses et à la pression la plus élevée de l’univers, les étoiles à neutrons pourraient nous aider à comprendre ce qui arrive à la matière à des densités extrêmement élevées. Comprendre leur structure et le comportement de la matière neutronique qui les compose est d’une importance primordiale pour les physiciens.

Les scientifiques savent déjà que les neutrons, les protons et les autres particules subatomiques qui composent une étoile à neutrons s’arrangent différemment selon l’endroit où ils se trouvent dans l’étoile. Dans certaines sections, ils se tassent de manière rigide comme des molécules d’eau dans un bloc de glace. Dans d’autres, ils coulent et tourbillonnent comme un fluide sans frottement. Mais exactement où la transition se produit et comment les différentes phases de la matière se comportent, les physiciens ne sont pas sûrs.

Une étoile superdense née d’une boule de feu nucléaire semble, à première vue, avoir très peu de choses en commun avec un nuage dilué de particules ultrafroides. Mais ils peuvent partager au moins une caractéristique utile : ils sont tous les deux en dessous d’un seuil connu sous le nom de température de Fermi qui dépend – et est calculé en fonction de – la matière dont chaque système est constitué. Un système qui est bien au-dessus de cette température se comportera en grande partie selon les lois de la physique classique ; s’il est bien en dessous, son comportement sera régi par la mécanique quantique. Selon Christopher Pethick, physicien théoricien à l’Institut Niels Bohr de Copenhague et coauteur d’un premier aperçu des étoiles à neutrons dans l’Annual 1975 Examen des sciences nucléairese.

La matière qui est en dessous de sa température de Fermi peut obéir à des lois remarquablement universelles. Cette universalité signifie que, bien que nous n’ayons pas facilement accès à la matière des étoiles à neutrons de plusieurs millions de degrés, nous pourrions en apprendre davantage sur certains de ses comportements en expérimentant des gaz ultrafroids qui peuvent être créés et manipulés dans des chambres à vide de laboratoire sur Terre, dit l’astrophysicien théoricien James Lattimer de l’Université Stony Brook à New York, auteur d’un résumé de la science de la matière nucléaire dans l’Annual Review of Nuclear and Particle Science 2012.

Un intérêt particulier pour Lattimer est un état théorique appelé gaz unitaire. Un gaz est unitaire lorsque la sphère d’influence de chacune de ses particules devient infinie, c’est-à-dire qu’elles s’influencent mutuellement quelle que soit leur distance. C’est impossible à avoir dans la réalité, mais les nuages ​​d’atomes ultrafroids peuvent s’en approcher, tout comme la matière à l’intérieur des étoiles à neutrons. « C’est similaire à un gaz unitaire », dit Lattimer, « mais ce n’est pas un gaz unitaire parfait. »