L’épaisseur mesurée par des chercheurs du Jefferson Lab (États-Unis) de la peau neutronique d’un atome de plomb pourrait remettre en question les théories sur la taille des étoiles à neutrons. © Artsiom P, Adobe Stock
Sciences

Les étoiles à neutrons sont plus grosses qu’on ne le pensait

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[EN VIDÉO] Deux étoiles à neutrons fusionnent en un trou noir  Dans cette animation (ce n'est pas une observation), la Nasa montre ce que l'on pense être la collision de deux étoiles à neutrons qui formaient un couple, l'une tournant autour de l'autre. Résultant de l'effondrement d'une grosse étoile, ces astres sont extrêmement denses. Quand les deux corps se rapprochent trop, les forces de marée commencent à les déchirer. Les zones rouges montrent les régions de plus faible densité. La fusion donne un corps si dense qu'il devient un trou noir. Ce scénario a été validé en octobre 2017 par l'analyse d'ondes gravitationnelles repérées par Ligo et Virgo en août 2017 issues de la source baptisée GW170817. © Nasa 

Certains noyaux atomiques sont entourés d'une fine couche de neutrons. Comme une peau. Et c'est l'épaisseur de la peau neutronique d'un atome de plomb que des physiciens sont aujourd'hui parvenus à mesurer. Une épaisseur qui pose question. Elle pourrait avoir un impact sur la taille des étoiles à neutrons.

Dans chaque atome, il y a des protons et des électrons. Et presque dans chaque atome, il y a aussi des neutrons. Avec les protons, ils constituent le noyau de ces atomes. Selon la théorie, les noyaux des atomes légers se composent généralement d'un mélange presque égal de protons et de neutrons. Mais lorsque les noyaux grossissent, ils ont besoin de plus de neutrons pour rester stables. Des neutrons qui semblent s'arranger dans une couche superficielle. Une sorte de peau entourant le noyau.

C'est justement l'épaisseur de cette peau neutronique que des chercheurs du Jefferson Lab (États-Unis) sont aujourd'hui parvenus à mesurer sur le noyau d'un atome de plomb. Et surprise ! Elle est deux fois plus épaisse que ce que les physiciens ne le pensaient. La belle affaire me direz-vous. Mais détrompez-vous, parce que cette mesure pourrait remettre en question quelques théories. Celle qui définit la taille des étoiles à neutrons, par exemple.

Mais revenons-en au début de cette aventure. Une expérience baptisée Prex, pour Lead (Pb) Radius Experiment. Comprenez Expérience sur le rayon du plomb. Le plomb 208 (208Pb), le plus commun des isotopes de l'élément. Son noyau compte 82 protons et tout de même 126 neutrons. Et les physiciens ont bombardé d'électrons un feuillet mince de ce plomb.

Rappelons que les électrons interagissent avec les protons -- chargés électriquement comme eux -- par le biais de l'interaction électromagnétique. Ils interagissent aussi avec les neutrons. Mais comme ces derniers ne sont pas chargés électriquement, c'est par l'intermédiaire de celle que l'on nomme la force faible que l'interaction se fait. Contrairement à la force électromagnétique, cette dernière dépend de la direction du spin des électrons.

C'est sur cette propriété que les physiciens du Jefferson Lab ont joué. Ils ont mesuré la façon dont les électrons se diffusaient différemment en fonction de la direction de leur spin. Le tout en s'assurant de ne modifier ni l'énergie des électrons, ni l'intensité du faisceau, ni sa trajectoire. La minuscule asymétrie qu'ils ont observée dans le courant des électrons déviés a trahi la distribution spatiale des neutrons.

Résultat : la peau de neutrons qui entoure le noyau d'un atome de plomb mesure 0,28 femtomètre -- soit 28x10-15 mètres --, plus ou moins 0,07. Une valeur qui se rapproche de celle déjà avancée par l'équipe en 2012, mais dont l'incertitude a été réduite de moitié.

Les atomes ont la peau (neutronique) épaisse

Et si la peau neutronique du plomb 208 est deux fois plus épaisse que les théories ne le prévoyaient, cela pourrait avoir des conséquences sur la manière dont les astronomes envisagent les étoiles à neutrons. Car une peau de neutrons plus épaisse rend les étoiles à neutrons moins compressibles que ce que les théories imaginaient. Qui dit moins compressibles, dit aussi plus grosses.           

C'est ce que d'autres physiciens ont immédiatement cherché à déterminer. Selon eux, le résultat du Jefferson Lab implique, pour les étoiles à neutrons ordinaires -- de 1,4 fois la masse de notre Soleil -- un rayon compris entre 13,25 et 14,25 kilomètres. Alors que la plupart des modèles l'estimaient jusqu'alors à quelque 10 kilomètres seulement.

     

L'idée semble plausible. Des chercheurs du Neutron star Interior Composition Eplorer (Nicer) de la Nasa ont d'ailleurs déjà remarqué deux étoiles à neutrons -- de 1,4 et 2,1 fois la masse de notre Soleil -- dont le diamètre a été estimé à quelque 13 kilomètres. Mais d'autres, travaillant sur le Laser Interferometer Gravitational-Wave Obervatory (Ligo) et sur le détecteur Virgo, rapportent ne pas avoir observé les déformations de marée attendues pour des étoiles de « grande » taille sur deux autres étoiles à neutrons avant leur fusion.

Pour démêler les fils de cette histoire, il faudra encore certainement d'autres mesures. Pour s'assurer notamment que les valeurs avancées pour l'épaisseur de la peau neutronique du plomb 208 n'entrent pas en conflit avec d'autres propriétés de ce noyau. En attendant, des mesures similaires sont déjà prévues sur le calcium 48.

Pour en savoir plus

Et voici la véritable taille d’une étoile à neutrons

11 kilomètres, c'est à peu près le rayon d'une ville de taille moyenne. Mais c'est aussi, à en croire des chercheurs allemands, celui d'une étoile à neutrons standard. Une conclusion qu'ils tirent de modèles théoriques et d'observations d'une collision entre deux d'entre elles.

Article de Nathalie Mayer paru le 15/03/2020

Des chercheurs du Max Planck Institute for Gravitational Physics (Allemagne) ont mesuré la taille d’une étoile à neutrons standard. Ils la comparent à une ville de taille moyenne. © sakkmesterke, Adobe Stock

1,4 fois la masse de notre Soleil dans une boule de seulement 11 kilomètres de rayon, l'équivalent d'une ville moyenne. C'est presque inimaginable. Pourtant des chercheurs du Max Planck Institute for Gravitational Physics (Allemagne) l'affirment aujourd'hui : le rayon d'une étoile à neutrons standard est compris entre 10,4 et 11,9 kilomètres ! Une information capitale pour ceux qui cherchent à comprendre comment la matière se comporte à des densités extrêmes.

Ce résultat, d'une précision remarquable -- deux fois supérieure à celle des précédentes mesures et c'est ça, la réelle nouveauté ici --, les scientifiques l'ont obtenu en étudiant la fusion de deux étoiles à neutrons qui a été observée en août 2017. L'événement s'est produit dans la galaxie NGC 4993. C'est un signal d'ondes gravitationnelles nommé GW170817 et détecté par les collaborations Ligo et Virgo qui l'a trahi. « Les collisions d’étoiles à neutrons sont des mines d'informations », commente Collin Capano, auteur principal de l'étude, dans un communiqué du Max Planck Institute.

« C'est un peu ahurissant ! Cette collision entre deux objets de la taille d'une ville s'est produite il y a 120 millions d'années. À cette époque, les dinosaures régnaient encore sur notre Terre. Cela s'est produit dans une galaxie à un milliard de milliards de kilomètres. Et cela nous donne un aperçu de ce qu'est la physique subatomique des conditions extrêmes. »

Les collisions d’étoiles à neutrons, des mines d’informations

À partir des modèles qui décrivent le mieux les observations faites sur GW170817, dans le champ des ondes gravitationnelles, mais aussi du spectre électromagnétique, les chercheurs ont abouti à la mesure la plus précise à ce jour du rayon d'une étoile à neutrons standard. Une mesure qui devra encore se confronter à l'étude d'autres événements du même type avant de pouvoir être réellement validée.

Ce que les travaux des chercheurs permettront en revanche assurément à l'avenir, c'est de distinguer, à partir des seules ondes gravitationnelles enregistrées par des instruments de type Ligo ou Virgo, les événements de fusion d'étoiles à neutrons des événements de fusion de trous noirs.

Concernant les événements mixtes, ceux qui impliquent un trou noir et une étoile à neutrons, les chercheurs du Max Planck Institute avancent que, dans la plupart des cas, l'étoile à neutrons se verra complètement engloutie par le trou noir. Ce n'est que dans le cas de trous noirs très petits ou en rotation rapide que l'étoile à neutrons pourrait se voir d'abord disloquée. Et ce n'est que dans ce cas précis qu'il serait possible aux astronomes d'observer, en provenance de ce type d'événement, autre chose que des ondes gravitationnelles.

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