Trop jeune pour avoir si froid : les leçons de trois étoiles à neutrons

Les missions XMM-Newton de l’ESA et Chandra de la NASA ont détecté trois jeunes étoiles à neutrons inhabituellement froides pour leur âge. En comparant leurs propriétés avec différents modèles d’étoiles à neutrons, les scientifiques sont arrivés à la conclusion que les basses températures de ces étoiles particulières invalident environ 75 % des modèles connus. Il s’agit d’un grand pas vers la découverte de « l’équation d’état » déterminante pour une étoile à neutrons, avec des implications importantes pour les lois fondamentales de l’univers.

Matière comprimée à l’extrême

Après les trous noirs de masse stellaire, les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses de l’univers. Chaque étoile à neutrons provient du noyau d’une étoile géante morte, qui est comprimée après une explosion de supernova, où, après avoir manqué de carburant, le noyau de l’étoile implose sous la force de gravité tandis que ses couches externes sont éjectées dans l’espace.

Au centre d’une étoile à neutrons, la matière est tellement comprimée que les scientifiques ne savent toujours pas quelle forme elle prend. Les étoiles à neutrons tirent leur nom du fait que, sous cette immense pression, même les atomes s’effondrent : les électrons fusionnent avec les noyaux atomiques, convertissant ainsi les protons en neutrons. Mais cela pourrait être encore plus étrange, car une chaleur et une pression extrêmes pourraient stabiliser des particules plus exotiques qui ne survivent nulle part ailleurs, ou même fondre les particules dans une soupe de leurs quarks constitutifs.

Ce qui se passe à l’intérieur d’une étoile à neutrons est expliqué par ce que l’on appelle « l’équation d’état », un modèle théorique qui décrit les processus physiques qui peuvent s’y produire. Le problème est que les scientifiques ne savent toujours pas laquelle des centaines d’équations possibles des modèles d’état est correcte. Bien que le comportement de chaque étoile à neutrons puisse dépendre de propriétés telles que sa masse ou sa vitesse de rotation, toutes les étoiles à neutrons doivent obéir à la même équation d’état.

Trop froid

Après avoir analysé les données des missions XMM-Newton de l’ESA et Chandra de la NASA, les scientifiques ont découvert trois étoiles à neutrons exceptionnellement jeunes et froides : entre 10 et 100 fois plus froides que leurs homologues du même âge. En comparant leurs propriétés avec les vitesses de refroidissement estimées par différents modèles, les chercheurs concluent que l’existence de ces trois étoiles particulières exclut la plupart des équations d’état proposées.

«Le jeune âge et la température froide de la surface de ces trois étoiles à neutrons ne peuvent s’expliquer que par un mécanisme de refroidissement rapide. Puisque ce refroidissement plus important ne peut être généré qu’avec certaines équations d’état, cela nous permet d’exclure une partie importante des modèles possibles”, explique l’astrophysicienne Nanda Rea, dont le groupe de recherche à l’Institut des sciences spatiales (ICE-CSIC) et à l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a dirigé la recherche.

La découverte de la véritable équation d’état des étoiles à neutrons a également des implications importantes pour les lois fondamentales de l’univers. Les physiciens ne savent toujours pas comment unir la théorie de la relativité générale (qui décrit les effets de la gravité à grande échelle) avec la mécanique quantique (qui décrit ce qui se passe au niveau des particules). Les étoiles à neutrons constituent le meilleur terrain d’essai pour cela, car elles ont des densités et des forces gravitationnelles bien supérieures à tout ce que nous pouvons créer sur Terre.

Unir nos forces : quatre étapes vers la découverte

Le fait que ces trois étoiles à neutrons soient si froides les rend trop faibles pour que la plupart des observatoires à rayons X puissent les détecter. “L’extraordinaire sensibilité de XMM-Newton et Chandra a permis non seulement de détecter ces étoiles à neutrons, mais aussi de collecter suffisamment de lumière pour déterminer leurs températures et d’autres propriétés”, explique Camille Diez, chercheuse de l’ESA travaillant sur les données XMM-Newton. .Newton.

Cependant, les mesures sensibles n’étaient que la première étape pour tirer des conclusions sur la signification de ces étoiles particulières pour l’équation d’état de l’étoile à neutrons. Pour y parvenir, l’équipe de recherche de Nanda à l’ICE-CSIC a combiné l’expérience complémentaire d’Alessio Marino, Clara Dehman et Konstantinos Kovlakas.

Alessio a dirigé la détermination des propriétés physiques des étoiles à neutrons. L’équipe a pu déduire leurs températures à partir des rayons X émis par leurs surfaces, tandis que la taille et la vitesse des restes de supernova environnants ont fourni une indication précise de leur âge.

Clara a ensuite dirigé le calcul des « courbes de refroidissement » des étoiles à neutrons pour les équations d’état qui intègrent différents mécanismes de refroidissement. Cela implique de tracer ce que chaque modèle prédit sur la façon dont la luminosité d’une étoile à neutrons évolue au fil du temps, une caractéristique directement liée à sa température. La forme de ces courbes dépend de diverses propriétés, qui ne peuvent pas toutes être déterminées avec précision à partir d’observations. Pour cette raison, l’équipe a calculé des courbes de refroidissement pour une gamme de masses d’étoiles à neutrons et d’intensités de champ magnétique possibles.

Finalement, une analyse statistique menée par Konstantinos a tout rassemblé. L’utilisation de l’apprentissage automatique pour déterminer l’accord entre les courbes de refroidissement simulées et les propriétés de ces étoiles rares a montré que les équations d’état sans mécanisme de refroidissement rapide n’ont aucune chance de correspondre aux données.

«La recherche sur les étoiles à neutrons couvre de nombreuses disciplines scientifiques, de la physique des particules aux ondes gravitationnelles. Le succès de ce travail démontre à quel point le travail d’équipe est essentiel pour faire progresser notre compréhension de l’univers”, conclut Nanda.

Notes pour les réviseurs

« Contraintes sur l’équation d’état de la matière dense provenant d’étoiles à neutrons jeunes et isolées froides » par Alessio Marino, Clara Dehman, Konstantinos Kovlakas, Nanda Rea, José A. Pons et Daniele Viganò est publié dans Nature Astronomy, DOI : 10.1038/s41550-024. -02291-y

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