Les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses de l'Univers, plus gros que le Soleil en masse, mais condensés en une sphère relativement petite.
Quelle est la taille des étoiles à neutrons? Les estimations précédentes du rayon allaient de huit à seize kilomètres. Des astrophysiciens de l'Université Goethe de Francfort (Allemagne) ont pu déterminer la taille des étoiles à neutrons à moins de 1,5 km en utilisant une approche statistique sophistiquée basée sur la mesure des ondes gravitationnelles. Le rapport des chercheurs est présenté dans Physical Review Letters.
Les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses de l'Univers, avec une masse supérieure à celle du Soleil, mais condensées en une sphère relativement petite. Depuis plus de 40 ans, le dimensionnement des étoiles à neutrons est le Saint Graal de la physique nucléaire, dont la découverte fournira des informations importantes sur le comportement fondamental des densités nucléaires.
Les données sur la détection des ondes gravitationnelles à partir d'une fusion d'étoiles à neutrons (GW170817) apportent une contribution importante à la résolution de cette énigme. Fin 2017, le professeur Luciano Rezzolla, avec ses étudiants Elias Most et Lucas Weich, les a déjà utilisés pour répondre à une question de longue date sur la masse maximale que les étoiles à neutrons peuvent avoir avant de s'effondrer dans un trou noir. Après le premier résultat important, la même équipe, avec l'aide du professeur Jurgen Schaffner-Belich, a entrepris de fixer des limites plus strictes sur la taille des étoiles à neutrons.
Une représentation artistique de la collision d'étoiles à neutrons qui ont généré des ondes gravitationnelles. Crédit: Carnegie Institution for Science.
L'essentiel est que l'équation d'état qui décrit la matière à l'intérieur des étoiles à neutrons est inconnue. Les physiciens ont choisi des méthodes statistiques pour déterminer la taille des étoiles à neutrons dans des limites étroites. Ils ont calculé plus de deux milliards de modèles théoriques en résolvant l'équation d'Einstein pour eux, et ont combiné ce grand ensemble de données avec les contraintes de la détection des ondes gravitationnelles par GW170817.
En conséquence, les chercheurs ont déterminé le rayon d'une étoile à neutrons typique avec une différence de 1,5 kilomètre: il varie de 12 à 13,5 kilomètres, ce qui peut être affiné par de futures détections d'ondes gravitationnelles.
«Cependant, le problème aurait pu avoir plus d'une solution», commente Jurgen Schaffner-Belich. Il est possible qu'à des densités ultra-élevées, la substance change radicalement ses propriétés et se rapproche de la soi-disant "transition de phase". Ceci est similaire à ce qui arrive à l'eau lorsqu'elle gèle et passe du liquide au solide. Dans le cas des étoiles à neutrons, cette transition transforme vraisemblablement la matière ordinaire en matière "quark", créant des étoiles qui auront la même masse que leur "jumelle", l'étoile à neutrons, mais beaucoup plus petite et donc encore plus compacte.
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Bien qu'il n'y ait aucune preuve de leur existence, ils peuvent être une solution plausible, et les chercheurs de Francfort ont pris cette possibilité en compte, malgré des complications supplémentaires. L'effort a porté ses fruits: les étoiles jumelles étaient statistiquement improbables. C'est une découverte importante qui permet désormais aux scientifiques d'exclure potentiellement l'existence de ces objets très compacts. Les futures observations des ondes gravitationnelles révéleront si les étoiles à neutrons ont des jumeaux exotiques.
