Une équipe de recherche internationale a pour la première fois combiné des données d’expériences sur les ions lourds, des mesures d’ondes gravitationnelles et d’autres observations astronomiques à l’aide d’une modélisation théorique avancée pour contraindre plus précisément les propriétés de la matière nucléaire telle qu’elle peut être trouvée à l’intérieur des étoiles à neutrons. Les résultats ont été publiés dans la revue La nature.
Partout dans l’univers, des étoiles à neutrons naissent dans des explosions de supernova qui marquent la fin de la vie des étoiles massives. Parfois, les étoiles à neutrons sont liées dans des systèmes binaires et finiront par entrer en collision les unes avec les autres. Ces phénomènes astrophysiques à haute énergie présentent des conditions si extrêmes qu’ils produisent la plupart des éléments lourds, tels que l’argent et l’or. Par conséquent, les étoiles à neutrons et leurs collisions sont des laboratoires uniques pour étudier les propriétés de la matière à des densités bien au-delà des densités à l’intérieur des noyaux atomiques. Les expériences de collision d’ions lourds menées avec des accélérateurs de particules sont un moyen complémentaire de produire et de sonder de la matière à haute densité et dans des conditions extrêmes.
De nouveaux éclairages sur les interactions fondamentales en jeu dans la matière nucléaire
« Combiner les connaissances de la théorie nucléaire, des expériences nucléaires et des observations astrophysiques est essentiel pour faire la lumière sur les propriétés de la matière riche en neutrons sur toute la gamme de densité sondée dans les étoiles à neutrons », a déclaré Sabrina Huth, de l’Institut de physique nucléaire de l’Université technique de Darmstadt, qui est l’un des principaux auteurs de la publication. Peter TH Pang, un autre auteur principal de l’Institut de physique gravitationnelle et subatomique (GRASP) de l’Université d’Utrecht, a ajouté : « Nous constatons que les contraintes des collisions d’ions d’or avec des accélérateurs de particules montrent une cohérence remarquable avec les observations astrophysiques, même si elles sont obtenues avec des méthodes complètement différentes. »
Les progrès récents de l’astronomie multi-messagers ont permis à l’équipe de recherche internationale, composée de chercheurs d’Allemagne, des Pays-Bas, des États-Unis et de Suède, d’acquérir de nouvelles connaissances sur les interactions fondamentales en jeu dans la matière nucléaire. Dans un effort interdisciplinaire, les chercheurs ont inclus les informations obtenues lors de collisions d’ions lourds dans un cadre combinant des observations astronomiques de signaux électromagnétiques, des mesures d’ondes gravitationnelles et des calculs d’astrophysique à haute performance avec des calculs théoriques de physique nucléaire. Leur étude systématique combine pour la première fois toutes ces disciplines individuelles, indiquant une pression plus élevée à des densités intermédiaires dans les étoiles à neutrons.
Données de collisions d’ions lourds incluses
Les auteurs ont incorporé les informations des expériences de collision d’ions or réalisées au GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung à Darmstadt ainsi qu’au Brookhaven National Laboratory et au Lawrence Berkeley National Laboratory aux États-Unis dans leur procédure en plusieurs étapes qui analyse les contraintes de la théorie nucléaire et des observations astrophysiques, y compris des mesures de masse d’étoiles à neutrons par le biais d’observations radio, des informations de la mission Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) sur la Station spatiale internationale (ISS) et des observations multi-messagers de fusions d’étoiles à neutrons binaires.
Les théoriciens du nucléaire Sabrina Huth et Achim Schwenk de l’Université technique de Darmstadt et Ingo Tews du Laboratoire national de Los Alamos ont joué un rôle clé dans la traduction des informations obtenues lors des collisions d’ions lourds en matière d’étoiles à neutrons, nécessaires pour intégrer les contraintes astrophysiques.
L’inclusion de données de collisions d’ions lourds dans les analyses a permis d’imposer des contraintes supplémentaires dans la région de densité où la théorie nucléaire et les observations astrophysiques sont moins sensibles. Cela a contribué à fournir une compréhension plus complète de la matière dense. À l’avenir, l’amélioration des contraintes des collisions d’ions lourds peut jouer un rôle important pour relier la théorie nucléaire et les observations astrophysiques en fournissant des informations complémentaires. Cela est particulièrement vrai pour les expériences qui sondent des densités plus élevées, et la réduction des incertitudes expérimentales a un grand potentiel pour fournir de nouvelles contraintes pour les propriétés des étoiles à neutrons. De nouvelles informations de chaque côté peuvent facilement être incluses dans le cadre pour améliorer encore la compréhension de la matière dense dans les années à venir.
Sabrina Huth et al, Contraindre la matière des étoiles à neutrons avec des collisions microscopiques et macroscopiques, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04750-w