Leçons de trois étoiles à neutrons

Le XMM-Newton de l'ESA et le vaisseau spatial Chandra de la NASA ont détecté trois jeunes étoiles à neutrons inhabituellement froides pour leur âge. En comparant leurs propriétés à celles de différents modèles d'étoiles à neutrons, les scientifiques concluent que les basses températures de ces étoiles disqualifient environ 75 % des modèles connus. Il s’agit d’un grand pas vers la découverte de « l’équation d’état » d’une étoile à neutrons qui les régit toutes, avec des implications importantes pour les lois fondamentales de l’univers.

L'article est publié dans la revue Astronomie naturelle.

La matière poussée 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 est le noyau comprimé d’une étoile géante, laissé après l’explosion de l’étoile en supernova. Après avoir manqué de carburant, le noyau de l'étoile implose sous la force de la gravité tandis que ses couches externes sont projetées vers l'espace.

La matière au centre d’une étoile à neutrons est si fortement 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, transformant les protons en neutrons. Mais cela pourrait devenir encore plus étrange, car la chaleur et la pression extrêmes pourraient stabiliser des particules plus exotiques qui ne survivent nulle part ailleurs, ou éventuellement fondre les particules ensemble dans une soupe tourbillonnante de leurs quarks constitutifs.

Ce qui se passe à l'intérieur d'une étoile à neutrons est décrit par ce que l'on appelle « l'équation d'état », un modèle théorique qui décrit les processus physiques qui peuvent se produire à l'intérieur d'une étoile à neutrons. Le problème est que les scientifiques ne savent pas encore lequel des centaines de modèles d’équations d’état possibles est correct. Bien que le comportement des étoiles à neutrons individuelles puisse dépendre de propriétés telles que leur masse ou la vitesse à laquelle elles tournent, toutes les étoiles à neutrons doivent obéir à la même équation d’état.

Trop froid

En fouillant dans 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, 10 à 100 fois plus froides que leurs pairs du même âge. En comparant leurs propriétés aux vitesses de refroidissement prédites par différents modèles, les chercheurs concluent que l’existence de ces trois bizarreries 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 être expliqués qu'en invoquant un mécanisme de refroidissement rapide. Puisque le refroidissement amélioré ne peut être activé que par 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 de l'Institut des sciences spatiales (ICE-CSIC) et de l'Institut d'études spatiales de Catalogne (IEEC) a dirigé l'enquête.

La découverte de la véritable équation d’état d’une étoile à neutrons a également des implications importantes pour les lois fondamentales de l’univers. Il est notoire que les physiciens ne savent pas encore comment associer 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 une gravitation bien au-delà de tout ce que nous pouvons créer sur Terre.

Unir nos forces : quatre étapes vers la découverte

Les trois étoiles à neutrons étranges étant si froides, elles sont trop sombres pour que la plupart des observatoires à rayons X puissent les voir. “La superbe 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, chercheur à l'ESA qui travaille sur les données XMM-Newton.

Cependant, les mesures sensibles n’étaient que la première étape vers la possibilité de tirer des conclusions sur la signification de ces bizarreries pour l’équation d’état des étoiles à neutrons. À cette fin, l'équipe de recherche de Nanda à l'ICE-CSIC a combiné l'expertise 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 les températures des étoiles à neutrons à partir des rayons X émis depuis leurs surfaces, tandis que la taille et la vitesse des restes de supernova environnants ont donné une indication précise de leur âge.

Ensuite, Clara a pris la direction du 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 – une caractéristique directement liée à sa température – évolue au fil du temps.

La forme de ces courbes dépend de plusieurs propriétés différentes d’une étoile à neutrons, qui ne peuvent pas toutes être déterminées avec précision à partir d’observations. Pour cette raison, l’équipe a calculé les courbes de refroidissement pour une gamme de masses possibles d’étoiles à neutrons et d’intensités de champ magnétique.

Finalement, une analyse statistique menée par Konstantinos a tout rassemblé. L'utilisation de l'apprentissage automatique pour déterminer dans quelle mesure les courbes de refroidissement simulées s'alignent sur les propriétés des bizarreries 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 touche de nombreuses disciplines scientifiques, allant de la physique des particules aux ondes gravitationnelles. Le succès de ces travaux démontre à quel point le travail d'équipe est fondamental pour faire progresser notre compréhension de l'univers”, conclut Nanda.