Une source d'ondes gravitationnelles énigmatique pourrait être une étoile à quarks

Il y a presque 60 ans que la théorie des quarks a été découverte. Pendant quelque temps, elle ne supposait l'existence que de trois nouvelles particules que l'on pouvait considérer comme élémentaires et dont les combinaisons sous forme de triplets ou de doublets permettaient de comprendre l'existence d'un grand nombre de hadrons découverts au cours des années 1950 dans les accélérateurs de particules. Nous savons aujourd'hui qu'il existe six types de quarks, chacun doté d'une charge électrique fractionnaire mais aussi d'une sorte de nouvelle charge électrique appelée la couleur.

Mais au milieu des années 1960, on ne considérait alors vraiment que les quarks dits up, down et strange (en abrégé u,d et s). Un quark s possédait l'équivalent d'une nouvelle quantité conservée en mécanique quantique, l'étrangeté. Les forces nucléaires fortes conservaient cette quantité lors de réactions entre hadrons mais pas les forces nucléaires faiblesforces nucléaires faibles, permettant donc à un quark dquark d ou u de devenir un quark s et inversement. Mais pas dans n'importe quelles conditions.

Ainsi, les protonsprotons et les neutronsneutrons contenant uniquement par triplet des quarks uquarks u, d ou leurs antiparticulesantiparticules ne se transforment pas spontanément en hadrons contenant un quark s. Mais un hypéron Lambda (hypéron Λ), plus précisément un hadron Λ₀ qui contient un quark u, d et un quark s peut très bien se désintégrer en d'autres hadrons plus légers, comme les mésonsmésons pipi et les neutrons, qui ne contiennent pas de quark étrangequark étrange.

Des étoiles à neutrons aux étoiles à quarks

En 1965, alors que l'on n'avait pas encore de preuves de l'existence des quarks (ni des étoiles à neutronsétoiles à neutrons théorisées dès la fin des années 1930 par Robert Oppenheimer en collaboration avec son  étudiant de l'époque Georges Volkoff dans l'article intitulé « On Massive Neutron Cores »), deux physiciensphysiciens soviétiques n'ont cependant pas hésité à proposer l'existence d'étoiles composées de quarks qui seraient donc un autre état dense que pourraient atteindre des étoiles s'effondrant gravitationnellement. Il s'agissait du grand théoricien Dmitri Ivanenko avec son collègue D. F. Kurdgelaidze.

Dans une étoile à neutrons, les quarks restent confinés dans les hadrons, sauf peut-être dans le cœur. Dans une étoile à quarks, c'est presque toute l'étoile qui est composée de quarks libres. © CXCM-Weiss 

Lorsque l'existence des quarks est devenue claire au début des années 1970 ainsi que celle des étoiles à neutrons suite à la découverte des pulsarspulsars, les théoriciens ont repris l'idée d'étoile à quarks et l'ont poussé plusieurs crans plus loin, bénéficiant des avancées fournies par les équationséquations de la chromodynamique quantiquechromodynamique quantique, de celles du modèle électrofaible et bien sûr de l'introduction de la fameuse matrice de Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa.

Ainsi, à l'intérieur d'une étoile à neutrons suffisamment massive, une transition de phasetransition de phase pouvait conduire les nucléonsnucléons à se dissocier en donnant un plasma de quarks et de gluons. Mieux, selon notamment le grand physicien et mathématicienmathématicien Edward Witten, les forces entre quarks feraient en sorte, si l'étoile est là aussi suffisamment massive, que les quarks u et d puissent se convertir en quarks s, de sorte qu'au final il existerait un mélange à parts égales de ces quarks qui serait particulièrement stable. Ce mélange est parfois appelé matièrematière étrange et il pourrait exister des amas de cette matière laissés par le Big BangBig Bang, constituant donc une part, voire la totalité de la matière noire.

Toujours est-il qu'une étoile à neutrons entière pourrait être convertie en matière étrange et de même que l'on peut considérer une étoile à neutrons comme une sorte de noyau d'atomeatome macroscopique, une étoile étrange serait une sorte d'hadron étrange macroscopique.

Les dimensions respectives d'une étoile à neutrons à gauche et d'une étoile à quarks à droite, comparées à celle du Grand Canyon. Ces étoiles auraient environ la masse du Soleil dont le diamètre est d'environ 1,4 million de kilomètres. © CXCM-Berry

Les étoiles exotiques, des laboratoires pour la matière ultradense

Il se trouve que la théorie du comportement des étoiles denses qui ont épuisé leur carburant nucléaire, et qui ne peuvent donc s'opposer à leur propre effondrementeffondrement gravitationnel que par d'autres moyens que la pressionpression des photonsphotons libérés par les réactions thermonucléaires, lie étroitement la massemasse et le rayon de ces objets ainsi que la pression et la densité dans leur cœur. Selon les théories du comportement d'un gazgaz de nucléons ou de quarks à très hautes densités, la masse limite d'une étoile exotiqueexotique de ce genre ne sera pas la même.

On peut donc poser des contraintes sur l'équation d'état de la matièreétat de la matière nucléaire, une cousine de celle d'un gaz moléculaire réel comme l'équation de Van der Waalséquation de Van der Waals, en étudiant les masses des étoiles à neutrons et également les ondes gravitationnellesondes gravitationnelles qu'elles émettent en entrant en collision. Cette équation est sensible au comportement des quarks et des forces entre ces quarks à des densités extrêmes, telles celles du Big Bang par exemple. On peut donc s'en servir pour sonder les lois de la physiquephysique fondamentale et en tirer des leçons pour la cosmologiecosmologie primordiale.

Or, justement, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, le 14 août 2019, la collaboration |ea72d2d0aee6958405eec0c28006043a|-VirgoVirgo a détecté un signal d'onde gravitationnelle, GW190814, qui serait associé à la fusionfusion d'un système stellairesystème stellaire binairebinaire composé d'un trou noir avec une masse de 23 fois la masse du soleilsoleil et d'un objet compact d'une masse d'environ 2,6 masses solaires. S'il s'agit bien d'une étoile à neutrons, une telle masse implique justement que l'on doit être en présence d'une étoile exotique.

Des chercheurs de l'université de Pise, de l'université de Ferrare et de l'Institut national de physique nucléaire (INFN) en Italie proposent donc aujourd'hui dans un article disponible sur arXiv mais qui a été publié dans Physical Review Letters, que l'on a justement peut-être été en présence d'une étoile à quarks et même d'une étoile à quarks étranges.

Nous n'en sommes encore qu'à gratter la surface de l'astronomie gravitationnelle et on aura sans doute bien d'autres exemples de ce genre à analyser dans les années à venir car les détecteurs d'ondes gravitationnelles vont continuer à monter en sensibilité et en nombre pendant que les chercheurs vont affiner leurs outils d'analyses des données collectées.

Si des étoiles étranges existent bien, elles pourraient se former à l'occasion d'une transition de phase, par exemple lors de l'accrétionaccrétion de matière par une étoile à neutrons plus classique, ce qui libérerait alors beaucoup d'énergieénergie et expliquerait peut-être certaines supernovae exotiques.

Enfin, la zoologie des collisions d'étoiles à neutrons ou d'étoiles à neutrons avec des trous noirs s'enrichirait. En effet, il faudrait notamment considérer des cas de collisions d'étoiles à neutrons classiques avec des étoiles à quarks étranges et bien sûr des collisions entre étoiles à quarks par exemple.

Une source d'ondes gravitationnelles énigmatique a été découverte par Ligo et Virgo

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 05/07/2020

Le 14 août 2019, les détecteurs Ligo et Virgo ont mis en évidence l'arrivée des ondes gravitationnelles produites par une source distante de 780 millions d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactéeVoie lactée et baptisée GW190814. Provient-elle de la collision d'un trou noir stellairetrou noir stellaire avec la plus massive étoile à neutrons connue ou le plus petit trou noir connu ? Dans les deux cas, il faut revoir l'astrophysiqueastrophysique de ces astresastres compacts.

Il y aura bientôt cinq ans que la première détection directe sur Terre des ondes gravitationnelles de la théorie de la relativité généralerelativité générale d'EinsteinEinstein s'est produite, à savoir le 14 septembre 2015 -- d'où le nom de cet évènement : GW150914 (GW pour Gravitational Wave, en anglais). Les membres de la collaboration Virgo et ceux de Ligo ont rapidement montré que le signal provenait des derniers évènements survenant quand deux trous noirs de masse stellaire formant un couple binaire se rapprochent en suivant une spirale, puis fusionnent en un seul astre compact (voir la vidéo ci-dessus).

Ce faisant, une partie de la masse totale des deux objets (ils contenaient chacun environ 30 fois la masse du Soleil) a été convertie en ondes gravitationnelles. Pour se donner une idée de l'énergie qu'un tel évènement représente, on peut imaginer que, si ces ondes gravitationnelles avaient été des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques, alors la source de la collision observée dans notre ciel en septembre 2015 aurait paru plus lumineuse que la pleine Lunepleine Lune alors que l'évènement s'est produit à environ 1,3 milliard d'années-lumière de la Voie lactée !

Les membres de la collaboration Ligo-Virgo en sont maintenant à la troisième campagne d'observation avec les détecteurs d'ondes gravitationnelles qui ont, entre temps, été rendus plus sensibles encore. Lors du « run O3 », selon l'expression des chercheurs, une nouvelle source d'ondes a été mise en évidence et ce, le 14 août 2019 à 23 h 10 heure de Paris comme on peut le constater via une publication dans The Astrophysical Journal que l'on peut consulter en accès libre sur arXiv.

Appelée GW190814, cette source a produit un signal dont les analyses menées notamment avec de savantes simulations sur ordinateurordinateur ont révélé aux physiciens qu'il provenait de la fusion dans un système binairesystème binaire composé d'un trou noir, 23 fois plus massif que le Soleil et d'un objet beaucoup plus léger, environ 2,6 fois plus lourd que le Soleil. Cette collision a produit un trou noir final de 25 masses solaires.

Ce graphique montre les masses de trous noirs détectées par des observations électromagnétiques (violet), des trous noirs débusqués par des observations d'ondes gravitationnelles (bleu), des étoiles à neutrons identifiées avec des observations électromagnétiques (jaune) et des étoiles à neutrons détectées par des ondes gravitationnelles (orange). GW190814 est indiqué au milieu du graphique comme étant la fusion d'un trou noir et d'un objet mystère (étoile à neutrons ou trou noir) d'environ 2,6 fois la masse du Soleil. © LIGO-Virgo, Frank Elavsky & Aaron Geller (Northwestern)

Une étrange lacune dans la distribution de masse des astres compacts

Pour le profane, apparemment rien d'anormal ou de spectaculaire mais, pour les astrophysiciensastrophysiciens relativistes, ces caractéristiques sont énigmatiques. En effet, nous n'avons jamais détecté de trous noirs stellairestrous noirs stellaires aussi légers que 2,6 fois la masse du Soleil ou d'étoiles à neutrons aussi massives. La forme du signal de l'onde gravitationnelle mesurée est assez bavarde sur bien des choses concernant les masses et les moments cinétiquesmoments cinétiques des astres compacts présents dans cet événement, événement qui s'est produit à environ 780 millions d'années-lumière de la Voie lactée en direction de la ConstellationConstellation du Sculpteur, une constellation de l'hémisphère sudhémisphère sud, peu lumineuse. Mais elle n'a pas permis de trancher entre les deux hypothèses concernant l'astre compact de 2,6 fois la masse du Soleil.

Il semble que l'on ait été en présence soit du plus petit trou noir stellaire découvert à ce jour, soit de l’étoile à neutrons la plus massive. Ce qui est certain est que l'objet débusqué vient de commencer à combler ce que l'on appelle le « mass gapgap » (ce qui peut se traduire par écart ou lacune de masse). Il correspond au fait qu'aucun astre compact de masse comprise entre 2,5 et 5 masses solaires n'avait été observé jusqu'à présent.

Pour mémoire, dans les deux cas, étoile à neutrons ou trou noir, ces objets se forment à l'occasion d'une explosion de supernovasupernova accompagnant un effondrement gravitationnel et on avait des raisons théoriques de suspecter qu'un trou noir de moins de 5 masses solaires ne peut pas être d'origine stellaire. Cependant, rien ne le démontrait, de sorte que le mass gap pouvait ne pas être réel. Il existe aussi une masse limite théorique pour les étoiles à neutrons mais également des incertitudes et des mystères quant à sa valeur réelle.

« La lacune de masse a été un casse-tête intéressant depuis des décennies, et maintenant nous avons détecté un objet qui s'inscrit juste à l'intérieur, explique, à ce sujet dans un communiqué du Ligo Laboratory (California Institute of Technology), Pedro Marronetti, directeur du programme de physique gravitationnelle à la National Science Foundation (NSF). Cela ne peut pas être expliqué sans défier notre compréhension de la matière extrêmement dense ou ce que nous savons de l'évolution des étoiles. Cette observation est encore un autre exemple du potentiel transformateurtransformateur du champ de l'astronomie des ondes gravitationnelles qui met en lumière de nouvelles idées à chaque nouvelle détection ». 

Un nouveau territoire pour l'astrophysique relativiste

Le signal de GW190814 a été plutôt bien localisé sur la voûte céleste et il était excellent avec un rapport signal/bruit de 25 selon le jargon des astrophysiciens. On pouvait espérer surprendre enfin une collision entre une étoile à neutrons et un trou noir dont on pensait qu'elle aurait dû s'accompagner d'un signal observable dans le domaine des ondes électromagnétiques, comme ce fut le cas avec la fameuse kilonova associée à la source d'ondes gravitationnelle GW170817. 

Malheureusement, il n'en a rien été et il n'a pas été possible de faire de l'astronomie multimessager. Une explication possible doit peut-être être recherchée du côté du fait que l'on est vraiment devant le cas d'un système binaire fortement asymétriqueasymétrique puisque le rapport de masse entre les deux objets est de l'ordre de 9. Le gros trou noir aurait alors avalé très directement la petite étoile à neutrons comme dans un célèbre jeu vidéo, selon l'expression de Vicky Kalogera, membre de la Collaboration Ligo et professeure à la Northwestern University, et qui est rapportée dans un communiqué du laboratoire Artemis (CNRS-Université Côte d'Azur-Observatoire de la Côte d'Azur) : « Cela me fait penser à PacPac-Man avalant une pac-gomme. Quand les masses du système sont très asymétriques, le trou noir peut ne faire qu'une bouchée de la petite étoile à neutrons. »

En tout cas, comme l'explique Giovanni Losurdo, de l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN, Italie), le porteporte-parole de la collaboration Virgo : « Une fois encore, les observations d'ondes gravitationnelles nous amènent en terre inconnue. L'astre le plus léger de ce système a une masse encore jamais observée. Une nouvelle découverte et qui pose de nouvelles questions. Quelle est la nature de cet astre ? Comment un tel système binaire s'est-il formé ? Virgo, Ligo et, bientôt, Kagra au Japon, continueront à chercher les réponses et à repousser les limites de ce que nous savons sur notre UniversUnivers ». 

En attendant, le caractère exceptionnel de GW190814 a permis d'observer de nouveaux overtones, de sorte que la théorie de la relativité générale a été testée dans un nouveau régime de champ fort non-linéaire et là aussi, elle en est sortie victorieuse.