Les étoiles à neutrons massives cachent-elles des secrets insondables ?

Analyse théorique : les étoiles à neutrons massives cachent probablement des cœurs de matière de quarks déconfinés

Une nouvelle analyse théorique suggère que les étoiles à neutrons massives pourraient cacher des cœurs de matière de quarks déconfinés avec une probabilité de 80 à 90%. Cette découverte, obtenue grâce à des simulations sur superordinateur utilisant l’inférence statistique bayésienne, pourrait avoir des implications majeures pour notre compréhension de l’univers.

« Les quarks et les gluons qui les composent sont libérés de leur confinement coloré typique et peuvent se déplacer presque librement« , explique Aleksi Vuorinen, professeur de physique théorique des particules à l’université d’Helsinki.

Les cœurs des étoiles à neutrons : des densités extrêmes

Les cœurs des étoiles à neutrons contiennent de la matière aux densités les plus élevées atteintes dans notre univers actuel. En effet, jusqu’à deux masses solaires de matière peuvent être comprimées à l’intérieur d’une sphère de 25 km de diamètre. Ces objets astrophysiques peuvent être considérés comme de gigantesques noyaux atomiques, la gravité comprimant leurs cœurs à des densités dépassant de loin celles des protons et des neutrons individuels.

De telles densités font des étoiles à neutrons des objets astrophysiques intéressants du point de vue de la physique des particules et de la physique nucléaire. Un problème ouvert de longue date concerne la question de savoir si l’immense pression centrale des étoiles à neutrons peut comprimer les protons et les neutrons en une nouvelle phase de matière, connue sous le nom de matière de quarks froide. Dans cet état exotique de la matière, les protons et les neutrons individuels n’existent plus.

Une transition de phase forte pourrait toutefois poser problème

Dans un nouvel article publié dans Nature Communications, une équipe centrée sur l’Université de Helsinki a fourni une première estimation quantitative de la probabilité de cœurs de matière de quarks à l’intérieur d’étoiles à neutrons massives. Ils ont montré que, sur la base des observations astrophysiques actuelles, la matière de quarks est presque inévitable dans les étoiles à neutrons les plus massives : une estimation quantitative que l’équipe a extraite place la probabilité dans la plage de 80 à 90%.

La petite probabilité restante pour que toutes les étoiles à neutrons soient composées uniquement de matière nucléaire nécessite que le passage de la matière nucléaire à la matière de quarks soit une transition de phase de premier ordre forte, ressemblant quelque peu à celle de l’eau liquide se transformant en glace. Ce type de changement rapide dans les propriétés de la matière des étoiles à neutrons a le potentiel de déstabiliser l’étoile de telle manière que la formation d’un cœur de matière de quarks minuscule entraînerait l’effondrement de l’étoile en un trou noir.

Des simulations à partir de données observationnelles

Un élément clé pour obtenir les nouveaux résultats a été un ensemble de calculs sur superordinateur utilisant l’inférence bayésienne – une branche de la déduction statistique où l’on déduit les probabilités de différents paramètres de modèle par comparaison directe avec les données observationnelles. Le composant bayésien de l’étude a permis aux chercheurs de dériver de nouvelles limites pour les propriétés de la matière des étoiles à neutrons, démontrant qu’elles approchent le comportement dit conforme près des cœurs des étoiles à neutrons les plus massives et stables.

En synthèse

Cette nouvelle analyse théorique suggère que les étoiles à neutrons massives pourraient cacher des cœurs de matière de quarks déconfinés avec une probabilité de 80 à 90%. Cette découverte, obtenue grâce à des simulations sur superordinateur utilisant l’inférence statistique bayésienne, pourrait avoir des implications majeures pour notre compréhension de l’univers. La petite probabilité restante pour que toutes les étoiles à neutrons soient composées uniquement de matière nucléaire nécessite que le passage de la matière nucléaire à la matière de quarks soit une transition de phase de premier ordre forte, ressemblant quelque peu à celle de l’eau liquide se transformant en glace.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons ?

Une étoile à neutrons est un type d’étoile qui résulte de l’effondrement gravitationnel d’une étoile massive après une supernova. Elles sont extrêmement denses, avec une masse comparable à celle du Soleil mais contenue dans un rayon d’environ 10 kilomètres.

Qu’est-ce que la matière de quarks ?

La matière de quarks est un état hypothétique de la matière où les quarks, qui sont normalement confinés à l’intérieur des protons et des neutrons, sont libres de se déplacer. Cet état de la matière est prévu par la théorie de la chromodynamique quantique, mais n’a pas encore été observé directement.

Qu’est-ce que l’inférence bayésienne ?

L’inférence bayésienne est une méthode de statistique dans laquelle les probabilités pour un ensemble de paramètres possibles sont mises à jour à mesure que de plus en plus de données sont collectées. Elle est nommée d’après le mathématicien Thomas Bayes, qui a formulé le théorème de Bayes au 18ème siècle.

Qu’est-ce qu’une transition de phase de premier ordre ?

Une transition de phase de premier ordre est un type de transition de phase où la matière change d’état (par exemple, de solide à liquide ou de liquide à gaz) et où il y a une discontinuité dans la première dérivée de l’énergie libre. Cela signifie que pendant la transition, la matière peut exister dans les deux états à la fois.

Quelles sont les implications de cette découverte ?

Si confirmée, cette découverte pourrait avoir des implications majeures pour notre compréhension de l’univers. Elle pourrait nous aider à comprendre la nature de la matière à des densités extrêmes, et pourrait également avoir des implications pour notre compréhension des trous noirs et de la formation des étoiles.

Références

Légende illustration principale : Impression d’artiste des différentes couches à l’intérieur d’une étoile à neutrons massive, le cercle rouge représentant un noyau de quark-matière assez important. Crédit : Jyrki Hokkanen, CSC

Article : « Strongly interacting matter exhibits deconfined behavior in massive neutron stars » – DOI: 10.1038/s41467-023-44051-y