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Quelle sorte de matière constitue une étoile à neutrons ?

Des astrophysiciens de l'Institut Max Planck de Hanovre (Allemagne) viennent de publier dans Nature Astronomy un article (voir référence ci-dessous) présentant ce qu'ils estiment être les caractéristiques de la matière dont serait faite les étoiles à neutrons, les astres les plus denses de l'univers. Leur masse pourrait être égale ou supérieure à celle du soleil, dans un rayon de seulement quelques kilomètres.

Une étoile à neutrons est le stade final de l'évolution des étoiles. C'est (nous citons wikipedia) un astre principalement composé de neutrons maintenus ensemble par les forces de gravitation. De tels objets sont le résidu compact issu de l'effondrement gravitationnel du cœur d'une certaine étoile massive quand celle-ci a épuisé son combustible nucléaire. Cet effondrement s'accompagne d'une explosion des couches externes de l'étoile, qui sont complètement disloquées et rendues au milieu interstellaire, phénomène appelé supernova. Le résidu compact n'est pas à proprement parler une étoile. Il n'est plus le siège de réactions nucléaires et sa structure est radicalement différente de celle d'une étoile ordinaire. Sa masse volumique est en effet extraordinairement élevée, de l'ordre de mille milliards de tonnes par litre, et sa masse comprise dans une fourchette très étroite, entre 1,4 et 3,2 fois la masse du Soleil (voir masse de Chandrasekhar). Ainsi, une étoile à neutrons est une boule de seulement 20 à 40 kilomètres de diamètre.

À leur naissance, les étoiles à neutrons sont dotées d'une vitesse de rotation très élevée, de plusieurs dizaines de tours par seconde. Elles possèdent également un champ magnétique très intense, allant jusqu'à 1011 teslas. Leur intérieur est également très atypique, étant principalement composé de neutrons à l'état superfluide et en proportions plus modestes, de protons et d'électrons. Le milieu est supraconducteur. La région la plus centrale d'une étoile à neutrons est actuellement mal connue du fait de sa densité trop élevée. Elle peut être composée de neutrons ou de formes de matière plus exotiques ; c'est en fait un état inconnu non actuellement déterminé ni déterminable en physique.

Pour préciser la matière d'une étoile à neutrons, l'équipe a utilisé les données de l'onde gravitationnelle enregistrée le 17 aout 2017, soit le GW170817. La fusion de deux étoiles à neutrons a été détectée le 17 août 2017 au sein de la galaxie NGC 4993, tant sous forme d'ondes gravitationnelles que sous forme lumineuse. Les observatoires interférométriques LIGO et Virgo ont observé l'événement, mais l'observation a été faite en simultanéité par quelque 70 observatoires, au sol et dans l'espace, qui ont participé au suivi de l'évènement. Cette onde provenait de la collision entre deux étoiles à neutrons, et il a été observé dans différentes longueurs d'onde.

Il reste à comprendre précisément la nature des neutrons constituant ces étoile à neutrons. S'agit-il de particules élémentaires telles qu'elles sont connues aujourd'hui ou de particules exotiques aux caractéristiques encore ignorées. L'équipe compte sur l'observation de nouvelles ondes gravitationnelles pour ce faire.

Image

Simulation numérique du rapprochement de deux étoiles à neutrons (en orange, les régions les plus denses)  en vue de leur fusion.
MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS

Référence

nature astronomy 9 mars 2020
https://www.nature.com/articles/s41550-020-1014-6

Abstract

 The properties of neutron stars are determined by the nature of the matter that they contain. These properties can be constrained by measurements of the star's size. We obtain stringent constraints on neutron-star radii by combining multimessenger observations of the binary neutron-star merger GW170817 with nuclear theory that best accounts for density-dependent uncertainties in the equation of state. We construct equations of state constrained by chiral effective field theory and marginalize over these using the gravitational-wave observations. Combining this with the electromagnetic observations of the merger remnant that imply the presence of a short-lived hypermassive neutron star, we find that the radius of a 1.4 M⊙ neutron star is R1.4M⊙=11.0+0.9−0.6 kmR1.4M⊙=11.0−0.6+0.9 km (90% credible interval). Using this constraint, we show that neutron stars are unlikely to be disrupted in neutron star–black hole mergers; subsequently, such events will not produce observable electromagnetic emission.

23/03/2020
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