Quelle est la taille d'une étoile à neutrons? Ces étoiles effondrées extrêmes et ultra-denses sont assez petites en ce qui concerne les objets stellaires. Pendant des années, les astronomes ont fixé des étoiles à neutrons entre 19 et 27 km (12 à 17 miles) de diamètre. C'est en fait assez précis, étant donné les distances et les caractéristiques des étoiles à neutrons. Mais les astronomes ont travaillé pour réduire cela à un plus mesure précise.
Une équipe internationale de chercheurs a fait exactement cela. En utilisant les données de plusieurs télescopes et observatoires différents, les membres de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle, l'Institut Albert Einstein (AEI) ont réduit les estimations de taille des étoiles à neutrons d'un facteur deux.
"Nous constatons que l'étoile à neutrons typique, qui est environ 1,4 fois plus lourde que notre Soleil, a un rayon d'environ 11 kilomètres", a déclaré Badri Krishnan, qui dirigeait l'équipe de recherche de l'AEI de Hanovre. "Nos résultats limitent le rayon à quelque part entre 10,4 et 11,9 kilomètres."
Cela se traduit par un diamètre compris entre 20,8 et 23,8 km (13-14,8 miles).
L'objet de l'étude de cette équipe est assez célèbre: la fusion d'étoiles à neutrons binaires GW170817 qui a créé les ondes gravitationnelles détectées en 2017 par le LIGO (Laser-Interferometer Gravitational Wave Observatory) et le consortium Virgo. Cet objet a été étudié à plusieurs reprises par plusieurs télescopes, dont le satellite Fermi, le télescope spatial Hubble et d'autres télescopes et observatoires du monde entier. Toutes ces observations ont donné à l'équipe Max Planck une cargaison de données avec laquelle travailler.
"Les fusions d'étoiles à neutrons binaires sont une mine d'or d'informations!" a déclaré Collin Capano, chercheur à l'AEI de Hanovre et auteur principal d'un article publié dans Nature Astronomy. «Les étoiles à neutrons contiennent la matière la plus dense de l'univers observable. … En mesurant les propriétés de ces objets, nous découvrons la physique fondamentale qui régit la matière au niveau subatomique. »
Les étoiles à neutrons se forment lorsqu'une étoile massive manque de carburant et s'effondre. La région très centrale de l'étoile - le noyau - s'effondre, écrasant tous les protons et les électrons en un neutron. Si le cœur de l'étoile qui s'effondre se situe entre environ 1 et 3 masses solaires, ces neutrons nouvellement créés peuvent arrêter l'effondrement, laissant derrière eux une étoile à neutrons.
Les étoiles avec des masses encore plus élevées continueront de s'effondrer dans des trous noirs de masse stellaire.
Mais l'effondrement dans une étoile à neutrons crée l'objet le plus dense connu - encore une fois, un objet avec la masse d'un soleil écrasé à la taille d'une ville. Et vous avez probablement déjà entendu cette autre comparaison auparavant, mais cela vaut la peine d'être répété en raison de son caractère dramatique: un morceau de sucre de matériau d'étoile à neutrons pèserait environ 1 billion de kilogrammes (ou 1 milliard de tonnes) sur Terre - à peu près autant que le mont Everest.
L'équipe de recherche a utilisé un modèle basé sur la compréhension fondamentale de la façon dont les particules subatomiques interagissent aux densités élevées trouvées à l'intérieur des étoiles à neutrons.
Mais comme la taille des autres étoiles peut varier considérablement, la taille des étoiles à neutrons ne pourrait-elle pas également varier?
Tout d'abord, pour clarifier, le rayon cité dans cette étude est pour une étoile à neutrons qui a une masse 1,4 fois celle de notre Soleil.
"Il s'agit d'une masse fiduciaire qui est généralement utilisée dans la littérature parce que presque toutes les étoiles à neutrons qui ont été observées dans un binaire ont une masse proche de cette valeur", a déclaré Capano à Space Magazine dans un e-mail. "La raison pour laquelle nous pouvons utiliser GW170817 pour estimer le rayon de 1,4 étoile à neutrons de masse solaire est que nous nous attendons à ce que presque toutes les étoiles à neutrons soient faites de la même substance."
Pour les autres étoiles «régulières», la relation entre leur masse et leur rayon dépend d'un certain nombre de variables, telles que l'élément que l'étoile fusionne dans son noyau, a expliqué Capano.
"Les étoiles à neutrons, en revanche, sont si compactes et denses, qu'il n'y a pas vraiment d'atomes séparés - l'étoile entière est essentiellement un noyau atomique géant unique, composé presque entièrement de neutrons étroitement liés", a-t-il déclaré. «Pour cette raison, vous ne pouvez pas penser que les étoiles à neutrons sont composées d'éléments éventuellement différents. En effet, "élément" n'a pas vraiment de sens à ces densités, car ce qui définit un élément est le nombre de protons qu'il a dans ses atomes constitutifs. "
Capano a déclaré que puisque tous les neutrons sont faits des mêmes choses (quarks, maintenus ensemble par des gluons), les astronomes s'attendent à ce qu'il y ait une cartographie universelle entre la masse et le rayon qui s'applique à toutes les étoiles à neutrons.
"Donc, lorsque nous citons la taille possible d'une étoile à neutrons solaires de 1,4, ce que nous faisons en fait, c'est restreindre les lois physiques possibles qui décrivent le monde subatomique", a-t-il déclaré.
Comme l'équipe le décrit dans son article, leurs résultats et processus peuvent également être appliqués à l'étude d'autres objets astronomiques, comme les pulsars, les magnétars et même la façon dont les ondes gravitationnelles sont émises pour fournir des détails sur ce qui crée ces ondes.
"Ces résultats sont passionnants, non seulement parce que nous avons été en mesure d'améliorer considérablement les mesures des rayons des étoiles à neutrons, mais parce qu'ils nous donnent une fenêtre sur le sort ultime des étoiles à neutrons dans la fusion des binaires", a déclaré Stephanie Brown, co-auteur de la publication et un doctorant à l'AEI de Hanovre.
Plus:
Article: Contraintes strictes sur les rayons des étoiles à neutrons provenant d'observations multimessagers et de la théorie nucléaire
Communiqué de presse de l'Institut Max Planck
