L’âge d’or de la physique des étoiles à neutrons est arrivé

Lorsqu’une étoile massive meurt dans une supernova, l’explosion n’est que le début de la fin. La majeure partie de la matière stellaire est projetée loin, mais le cœur rempli de fer de l’étoile reste derrière. Ce noyau contient autant de masse que deux soleils et se réduit rapidement à une sphère qui s’étendrait sur toute la longueur de Manhattan. Écraser la pression interne-assez pour presser le mont Everest à la taille d’un cube de sucre — fusionne les protons et les électrons subatomiques en neutrons.

Les astronomes en savent beaucoup sur la naissance des étoiles à neutrons., Pourtant, ce qui se passe exactement après, à l’intérieur de ces noyaux ultra-denses, reste un mystère. Certains chercheurs théorisent que les neutrons pourraient dominer jusqu’au centre. D’autres émettent l’hypothèse que l’incroyable pression compacte le matériau en particules plus exotiques ou en États qui s’écrasent et se déforment de manière inhabituelle.

maintenant, après des décennies de spéculation, les chercheurs se rapprochent de la résolution de l’énigme, en partie grâce à un instrument sur la Station spatiale internationale appelé Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER).,

en décembre dernier, cet observatoire spatial de la NASA a fourni aux astronomes certaines des mesures les plus précises jamais effectuées de la masse et du radius1,2 d’une étoile à neutrons, ainsi que des découvertes inattendues sur son champ magnétique1,3. L’équipe NICER prévoit de publier des résultats sur plus d’étoiles dans les prochains mois. D’autres données proviennent d’observatoires d’ondes gravitationnelles, qui peuvent observer les étoiles à neutrons se contorsionner lorsqu’elles s’écrasent ensemble. Avec ces observations combinées, les chercheurs sont prêts à se concentrer sur ce qui remplit les entrailles d’une étoile à neutrons.,

pour beaucoup dans le domaine, ces résultats marquent un tournant dans l’étude de certains des objets les plus déroutants de l’univers. ” Cela commence à être un âge d’or de la physique des étoiles à neutrons », explique Jürgen Schaffner-Bielich, physicien théoricien à L’Université Goethe de Francfort, en Allemagne.

lancé en 2017 à bord d’une fusée Falcon 9 de SpaceX, le télescope NICER, d’une valeur de 62 millions de dollars américains, se trouve à l’extérieur de la station spatiale et recueille les rayons X provenant d’étoiles à neutrons pulsars-spinning qui émettent des particules chargées et de l’énergie dans d’énormes colonnes qui balaient, Les rayons X proviennent de points chauds d’un million de degrés sur la surface d’un pulsar, où un puissant champ magnétique déchire les particules chargées de l’extérieur et les renverse au pôle magnétique opposé.

NICER détecte ces rayons X à l’aide de 56 télescopes dorés et horodate leur arrivée à moins de 100 nanosecondes. Grâce à cette capacité, les chercheurs peuvent suivre avec précision les points chauds lorsqu’une étoile à neutrons fouette jusqu’à 1 000 fois par seconde. Les points chauds sont visibles lorsqu’ils se balancent sur l’objet., Mais les étoiles à neutrons déforment si fortement l’espace – temps que NICER détecte également la lumière des points chauds faisant face à la Terre. La théorie générale de la relativité d’Einstein fournit un moyen de calculer le rapport masse / rayon d’une étoile grâce à la quantité de flexion de la lumière. Cela et d’autres observations permettent aux astrophysiciens de déterminer les masses et les rayons des étoiles décédées. Ces deux propriétés pourraient aider à déterminer ce qui se passe dans les cœurs.

mystère profond et sombre

Les étoiles à neutrons se compliquent plus on va en profondeur., Sous une atmosphère mince faite principalement d’hydrogène et d’hélium, on pense que les restes stellaires possèdent une croûte externe d’un centimètre ou deux d’épaisseur qui contient des noyaux atomiques et des électrons libres. Les chercheurs pensent que les éléments ionisés deviennent emballés ensemble dans la couche suivante, créant un réseau dans la croûte interne. Encore plus bas, la pression est si intense que presque tous les protons se combinent avec les électrons pour se transformer en neutrons, mais ce qui se passe au-delà est au mieux trouble (voir « matière Dense »).,

« C’est une chose de connaître les ingrédients”, explique Jocelyn Lire, un astrophysicien de l’université California State University, Fullerton. « C’est une autre de comprendre la recette, et comment ces ingrédients vont interagir les uns avec les autres. »

les physiciens ont une idée de ce qui se passe, grâce aux accélérateurs de particules sur Terre., Dans des installations telles que le Brookhaven National Laboratory à Upton, New York, et le Grand collisionneur de hadrons du CERN près de Genève, en Suisse, les chercheurs ont fracassé des ions lourds, tels que ceux du plomb et de l’or, pour créer de brèves collections de matériaux d’une densité monumentale. Mais ces expériences cinétiques génèrent des éclairs d’un milliard, voire d’un billion de degrés, dans lesquels les protons et les neutrons se dissolvent dans une soupe de leurs quarks et gluons constitutifs. Les instruments terrestres ont du mal à sonder les conditions relativement douces de plusieurs millions de degrés à l’intérieur des étoiles à neutrons.,

Il y a plusieurs idées sur ce qui pourrait se produire. Il se pourrait que les quarks et les gluons errent librement. Ou, les énergies extrêmes pourraient conduire à la création de particules appelées hypérons. Comme les neutrons, ces particules contiennent trois quarks. Mais alors que les neutrons contiennent les quarks les plus basiques et les moins énergétiques, appelés quarks up et down, un hyperon a au moins un de ceux-ci remplacé par un quark exotique « étrange ». Une autre possibilité est que le centre d’une étoile à neutrons soit un condensat de Bose–Einstein, un État de la matière dans lequel toutes les particules subatomiques agissent comme une seule entité mécanique quantique., Et les théoriciens ont aussi imaginé des perspectives encore plus farfelues.

de manière cruciale, chaque possibilité repousserait de manière caractéristique la gravité colossale d’une étoile à neutrons. Ils généreraient des pressions internes différentes et donc un rayon plus ou moins grand pour une masse donnée. Une étoile à neutrons avec un centre de condensat de Bose-Einstein, par exemple, est susceptible d’avoir un rayon plus petit que celui fabriqué à partir de matériaux ordinaires tels que les neutrons. Un avec un noyau fait de matière hyperon souple pourrait avoir un rayon plus petit encore.,

« les types de particules et les forces entre elles affectent la douceur ou la squash du matériau”, explique Anna Watts, membre de L’équipe NICER à l’Université d’Amsterdam.

la différenciation entre les modèles nécessitera des mesures précises de la taille et de la masse des étoiles à neutrons, mais les chercheurs n’ont pas encore été en mesure de pousser leurs techniques à des niveaux suffisamment fins pour dire quelle possibilité est la plus probable. Ils estiment généralement les masses en observant les étoiles à neutrons dans des paires binaires., Au fur et à mesure que les objets orbitent les uns sur les autres, ils se tirent gravitationnellement les uns sur les autres, et les astronomes peuvent l’utiliser pour déterminer leurs masses. Environ 35 étoiles ont vu leurs masses mesurées de cette manière, bien que les chiffres puissent contenir des barres d’erreur allant jusqu’à une masse solaire. Une simple dizaine ont également eu leurs rayons calculés, mais dans de nombreux cas, les techniques peuvent pas déterminer cette valeur à mieux que quelques kilomètres d’un cinquième de la taille d’une étoile à neutrons.,

la méthode hotspot de NICER a été utilisée par L’Observatoire XMM-Newton de l’Agence Spatiale Européenne, qui a été lancé en 1999 et est toujours en service. NICER est quatre fois plus sensible et a des centaines de fois meilleure résolution de temps que le XMM-Newton. Au cours des deux à trois prochaines années, L’équipe s’attend à pouvoir utiliser NICER pour déterminer les masses et les rayons d’une demi-douzaine de cibles supplémentaires, en fixant leurs rayons à moins d’un demi-kilomètre., Avec cette précision, le groupe sera bien placé pour commencer à tracer ce qu’on appelle l’équation d’état neutron-étoile, qui relie la masse au rayon ou, de manière équivalente, la pression interne à la densité.

Si les scientifiques sont particulièrement chanceux et que la nature fournit des données particulièrement bonnes, NICER pourrait aider à éliminer certaines versions de cette équation. Mais la plupart des physiciens pensent que, à lui seul, l’Observatoire va probablement réduire plutôt que d’exclure complètement les modèles de ce qui se passe dans les noyaux des objets mystérieux.,

« ce serait encore une énorme avance sur où nous en sommes maintenant,” dit Watts.

lignes de champ

la première cible de NICER était J0030+0451, un pulsar isolé qui tourne environ 200 fois par seconde et se trouve à 337 parsecs (1 100 années-lumière) de la terre, dans la constellation des poissons.

deux groupes — l’un basé principalement à L’Université d’Amsterdam1 et l’autre dirigé par des chercheurs de L’Université du Maryland à College Park2 — ont passé séparément au crible 850 heures d’observations, servant de vérifications les uns des autres.,

parce que les courbes de lumière hotspot sont si complexes, les groupes avaient besoin de supercalculateurs pour modéliser diverses configurations et déterminer celles qui correspondent le mieux aux données. Mais les deux ont obtenu des résultats similaires, constatant que J0030 a une masse qui est 1,3 ou 1,4 fois celle du Soleil, et un rayon d’environ 13 kilomètres.,

Ces résultats ne sont pas définitifs: ils pourraient être utilisés pour soutenir les prédictions banales ou d’un autre monde pour ce qui est à l’intérieur des tripes des étoiles à neutrons. ” Il n’y a pas encore d’exigence pour quelque chose de funky, de fou ou d’exotique », explique Andrew Steiner, astrophysicien nucléaire à L’Université du Tennessee, Knoxville.

Les chercheurs ont eu une plus grande surprise avec des résultats sur la forme et la position des points chauds., La vue canonique des étoiles à neutrons a leurs lignes de champ magnétique ressemblant à celles entourant un aimant à barres, avec des côtés nord et sud émergeant de taches circulaires aux extrémités opposées de l’étoile. En revanche, les simulations de supercalculateurs Néerlandais impliquaient que les deux points chauds de J0030 se trouvaient dans son hémisphère sud, et que l’un d’eux était long et en forme de croissance1. L’équipe du Maryland a également proposé la possibilité d’une solution à trois points chauds: deux de forme ovale Sud et un dernier cercle près du pôle Sud en rotation3.,

« Il semble qu’ils aient pu faire la première détection réelle d’un pulsar où les faisceaux ne sont pas séparés de 180 degrés”, explique Natalie Webb, astrophysicienne à L’Institut de recherche en astrophysique et Planétologie de Toulouse, France, qui a modélisé de telles possibilités. « C’est fantastique, si vrai. »

Les résultats renforceraient les observations précédentes et les théories suggérant que les champs magnétiques des étoiles à neutrons, qui sont un billion de fois plus forts que ceux du soleil, peuvent être plus complexes que ce que l’on suppose généralement., Après leur première formation, on pense que les pulsars ralentissent leur rotation sur des millions d’années. Mais s’ils ont une étoile compagne en orbite autour d’eux, ils pourraient voler du matériel et du moment angulaire à ce partenaire, augmentant leur rotation à des vitesses ultra-rapides. Au fur et à mesure que la matière se dépose sur l’extérieur de l’étoile, certains théoriciens suggèrent qu’elle pourrait affecter une couche fluide de neutrons souterrains, générant de gigantesques tourbillons qui tordent le champ magnétique de l’étoile à neutrons en arrangements étranges., Le compagnon pourrait finalement être consommé ou perdre tellement de masse qu’il devient gravitationnellement non lié et s’envole, comme cela aurait pu être le cas avec le désormais Solitaire J0030.

travaux en cours

NICER continue d’observer J0030 pour améliorer encore la précision de ses mesures de rayon. Dans le même temps, l’équipe commence à analyser les données d’une deuxième cible, un pulsar légèrement plus lourd avec un compagnon de naine blanche., D’autres astronomes ont utilisé des observations de la danse orbitale de cette paire pour déterminer la masse du pulsar, ce qui signifie que les chercheurs plus agréables ont une mesure indépendante qu’ils peuvent utiliser pour valider leurs résultats.

parmi les cibles de NICER, l’équipe prévoit d’inclure au moins deux pulsars de masse élevée, y compris le détenteur actuel du record de l’étoile à neutrons la plus massive-un mastodonte avec une masse 2,14 fois celle du Soleil. Cela devrait permettre aux chercheurs de sonder une limite supérieure: le point où une étoile à neutrons s’effondre dans un trou noir. Même l’objet de masse solaire de 2,14 est difficile à expliquer pour les théoriciens. Plusieurs chercheurs ont également suggéré que NICER pourrait être en mesure de trouver deux étoiles à neutrons avec la même masse mais des rayons différents., Cela suggérerait la présence d’un point de transition, auquel de légères différences créent deux noyaux distincts. L’un pourrait contenir principalement des neutrons, par exemple, et l’autre pourrait être composé de matériaux plus exotiques.

bien que NICER soit à l’avant-garde, il n’est pas le seul instrument à plomber les profondeurs des pulsars. En 2017, L’Observatoire américain des ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO), ainsi que le détecteur Virgo en Italie, ont capté le signal de deux étoiles à neutrons s’écrasant et fusionnant ensemble4., Alors que les objets tournaient les uns autour des autres avant le crash, ils ont émis des ondes gravitationnelles contenant des informations sur la taille et la structure des étoiles. L’influence gravitationnelle colossale de chaque étoile a tiré sur et déformé son partenaire, se contorsionnant à la fois des sphères en formes de larme. La quantité de distorsion dans ces derniers moments donne aux physiciens des indices sur la malléabilité du matériau à l’intérieur des étoiles à neutrons.

Les installations de LIGO à Livingston, en Louisiane, ont détecté une deuxième explosion d’étoiles à neutrons en avril dernier, et d’autres événements pourraient être repérés à tout moment., Jusqu’à présent, les deux fusions ont seulement fait allusion aux propriétés des intérieurs d’étoiles à neutrons, suggérant qu’ils ne sont pas particulièrement déformables. Mais la génération actuelle d’installations ne peut pas observer les derniers moments cruciaux, lorsque la déformation serait la plus grande et afficherait les conditions internes les plus clairement.

Le détecteur D’ondes gravitationnelles de Kamioka à Hida, au Japon, devrait être mis en ligne plus tard cette année, et L’Initiative indienne D’Observations d’ondes gravitationnelles près D’Aundha Naganath, à Marathwada, en 2024., En combinaison avec LIGO et Virgo, ils amélioreront la sensibilité, pouvant même capturer les détails des moments menant à un crash.

en regardant plus loin dans l’avenir, plusieurs instruments prévus pourraient faire des observations qui échappent aux observatoires D’ondes gravitationnelles plus agréables et actuels. Un satellite sino–européen appelé enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, ou eXTP, devrait être lancé en 2027 et étudier les étoiles à neutrons isolées et binaires pour aider à déterminer leur équation d’état., Les chercheurs ont également proposé une mission spatiale qui pourrait voler dans les années 2030 appelée L’Observatoire spectroscopique à résolution temporelle pour les rayons X à large bande, ou STROBE-X. il utiliserait la technique hotspot de NICER, épinglant les masses et les rayons d’au moins 20 étoiles à neutrons de plus avec encore plus de précision.

le cœur des étoiles à neutrons conservera probablement toujours quelques secrets. Mais les physiciens semblent maintenant bien placés pour commencer à éplucher les couches., Read, qui fait partie de L’équipe LIGO, dit avoir collaboré à un projet visant à imaginer les questions scientifiques que les détecteurs d’ondes gravitationnelles pourraient aborder dans les années 2030 et 2040. dans le processus, elle a réalisé que le paysage de la recherche sur les étoiles à neutrons-en particulier la question de l’équation d’État-devrait être très différent d’ici là.

« c’est ce puzzle de longue date que vous pensez sera toujours là”, dit-elle. « Nous en sommes maintenant à un point où je peux voir la communauté scientifique résoudre le puzzle de la structure des étoiles à neutrons au cours de cette décennie.