Grâce à des calculs de modèles approfondis, des chercheurs allemands ont permis de mieux appréhender la structure interne des étoiles à neutrons, où la matière atteint des densités énormes. En fonction de leur masse, ces restes d’étoiles pourraient avoir un noyau très rigide ou très mou. Les chercheurs, qui publient leurs travaux dans The Astrophysical Journal Letters, font un parallèle avec les chocolats.
Les étoiles à neutrons
Les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses de l’Univers après les trous noirs. Vers la fin de leur vie, les étoiles au moins dix fois plus massives que le Soleil fusionnent des éléments de plus en plus lourds dans leur noyau, jusqu’au fer qui, contrairement aux autres, est incapable de fusionner. L’objet, désormais incapable de libérer de l’énergie pour équilibrer la force gravitationnelle, s’effondre sur lui-même. Son noyau se contracte, tandis que la pression convertit les protons en neutrons.
Les étoiles à neutrons sont donc essentiellement des boules de neutrons. Ces noyaux ne mesurent que quelques kilomètres de large, mais proposent des masses volumiques exceptionnelles. Une cuillère à café de ces objets pèse en effet une montagne. La gravité est par ailleurs si intense qu’en surface les reliefs ne mesurent que quelques millimètres de haut.
Depuis la découverte de ces étoiles il y a plus de soixante ans, les scientifiques tentent encore d’appréhender leur structure interne. Le principal défi consiste à simuler ces conditions extrêmes en laboratoire.
Il existe aujourd’hui plusieurs modèles dans lesquels diverses propriétés – comme la densité ou 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. Dans le cadre de ces nouveaux travaux, des physiciens de l’Université Goethe de Francfort ont réussi à ajouter d’autres pièces cruciales au puzzle.
Deux types de « chocolats »
Pour ce travail, les chercheurs ont développé plus d’un million d’équations d’état différentes qui satisfont aux contraintes imposées par les données disponibles, à la fois à partir de la physique nucléaire théorique et par les observations astronomiques.
Lors de l’évaluation de ces équations d’état, l’équipe a fait une découverte surprenante : les étoiles à neutrons dites « légères » – avec des masses inférieures à 1,7 masse solaire – semblent avoir un manteau souple et un noyau rigide. À l’inverse, celles avec une masse supérieur à 1,7 masse solaire auraient un manteau rigide et un noyau mou.
« Les étoiles à neutrons se comportent apparemment un peu comme des pralines au chocolat : les étoiles légères ressemblent à ces chocolats qui ont une 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« , détaille Luciano Rezzolla, principal auteur de l’étude.
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, il s’avère que ces objets ont très probablement un rayon de seulement douze kilomètres.
