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 atomeatome, il y a des protonsprotons et des électronsélectrons. Et presque dans chaque atome, il y a aussi des neutronsneutrons. 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 plombplomb. Et surprise ! Elle est deux fois plus épaisse que ce que les physiciensphysiciens 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.

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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 isotopesisotopes 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 spinspin 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 astronomesastronomes 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 massemasse de notre SoleilSoleil -- 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.

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Cette étoile à neutrons frôle le record de masse limite permise par la théorie 

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 (LigoLigo) et sur le détecteur VirgoVirgo, rapportent ne pas avoir observé les déformations de maréemarée 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 calciumcalcium 48.


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 MayerNathalie 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
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 PlanckPlanck 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 matièrematière se comporte à des densités extrêmes.

Le saviez-vous ?

Une étoile à neutrons, c’est un objet incroyablement compact et ce qu'il reste de l’explosion en supernova d’une étoile massive. Mais d’étoile, elle n’a plus que le nom. Elle n’est le siège d’aucune réaction nucléaire. Et elle est composée d’une matière extrêmement dense et riche en neutrons.

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 galaxiegalaxie NGC 4993. C'est un signal d'ondes gravitationnellesondes 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 dinosauresdinosaures 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 physiquephysique 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 spectrespectre 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.