Jusqu’à présent, on sait peu de choses sur l’intérieur des étoiles à neutrons, ces objets extrêmement compacts qui peuvent se former après la mort d’une étoile. La masse de notre soleil ou même plus est compressée dans une sphère avec le diamètre d’une grande ville. Depuis leur découverte il y a plus de 60 ans, les scientifiques tentent de déchiffrer leur structure.
Le plus grand défi consiste à simuler les conditions extrêmes à l’intérieur des étoiles à neutrons, car elles peuvent difficilement être recréées sur Terre en laboratoire. Il existe donc de nombreux modèles dans lesquels différentes propriétés, de la densité à la température, sont décrites à l’aide d’équations dites d’état. Ces équations tentent de décrire la structure des étoiles à neutrons de la surface stellaire au noyau interne.
Aujourd’hui, les physiciens de l’Université Goethe de Francfort ont réussi à ajouter d’autres pièces cruciales au puzzle. Le groupe de travail, dirigé par le professeur Luciano Rezzolla de l’Institut de physique théorique, a développé plus d’un million d’équations d’état différentes qui satisfont aux contraintes imposées par les données obtenues à partir de la physique nucléaire théorique d’une part, et par les observations astronomiques sur le autre. Leurs travaux sont publiés dans Les lettres du journal astrophysique.
Lors de l’évaluation des équations d’état, le groupe de travail a fait une découverte surprenante : les étoiles à neutrons « légères » (avec des masses inférieures à environ 1,7 masse solaire) semblent avoir un manteau mou et un noyau rigide, alors que les étoiles à neutrons « lourdes » (avec des masses supérieure à 1,7 masse solaire) ont plutôt un manteau rigide et un noyau mou.
« Ce résultat est très intéressant car il nous donne une mesure directe de la compressibilité du centre des étoiles à neutrons », déclare le professeur Luciano Rezzolla, « Les étoiles à neutrons se comportent apparemment un peu comme des pralines au chocolat : les étoiles légères ressemblent à ces chocolats qui ont un noisette en leur centre entourée de chocolat mou, tandis que les étoiles lourdes peuvent être considérées davantage comme ces chocolats où une couche dure contient une garniture molle. »
La vitesse du son, un objectif d’étude de l’étudiant en licence Sinan Altiparmak, était cruciale pour cette idée. Cette mesure quantitative décrit la vitesse à laquelle les ondes sonores se propagent dans un objet et dépend de la rigidité ou de la mollesse de la matière. Ici sur Terre, la vitesse du son est utilisée pour explorer l’intérieur de la planète et découvrir des gisements de pétrole.
En modélisant les équations d’état, les physiciens ont également pu découvrir d’autres propriétés jusque-là inexpliquées des étoiles à neutrons. Par exemple, quelle que soit leur masse, ils ont très probablement un rayon de seulement 12 km. Ainsi, ils sont tout aussi grands en diamètre que la ville natale de l’Université Goethe de Francfort.
L’auteur de l’étude, le Dr Christian Ecker, explique : « Notre étude numérique approfondie nous permet non seulement de faire des prédictions pour les rayons et les masses maximales des étoiles à neutrons, mais aussi de fixer de nouvelles limites à leur déformabilité dans les systèmes binaires, c’est-à-dire à quel point elles se déforment. les uns les autres à travers leurs champs gravitationnels. Ces informations deviendront particulièrement importantes pour identifier l’équation d’état inconnue avec les futures observations astronomiques et les détections d’ondes gravitationnelles provenant d’étoiles fusionnantes.
Plus d’information:
Sur la vitesse du son dans les étoiles à neutrons, Les lettres du journal astrophysique (2022). DOI : 10.3847/2041-8213/ac9b2a