Des chercheurs prédisent une nouvelle phase des étoiles à neutrons qui favoriserait les « pâtes nucléaires »

Les étoiles à neutrons sont des objets extrêmes et mystérieux dont les astrophysiciens ne peuvent pas voir l’intérieur. Avec un rayon d’environ 12 kilomètres, elles peuvent avoir plus de deux fois la masse du Soleil. La matière qu’elles contiennent est jusqu’à cinq fois plus dense que celle d’un noyau atomique ; avec les trous noirs, ce sont les objets les plus denses de l’univers.

Dans des conditions extrêmes, la matière peut prendre des états exotiques. Une hypothèse est que les éléments constitutifs des noyaux atomiques – les protons et les neutrons – se déforment en plaques et en cordes, à la manière de lasagnes ou de spaghettis, ce qui explique que les experts appellent ce phénomène « pâtes nucléaires ».

Des chercheurs du département de physique de l’Université technique de Darmstadt et de l’Institut Niels Bohr de Copenhague ont adopté une nouvelle approche théorique pour étudier l’état de la matière nucléaire dans la croûte interne des étoiles à neutrons. Ils ont montré que les neutrons et les protons peuvent « s’écouler » des noyaux atomiques et stabiliser les « pâtes nucléaires ». Leurs résultats sont présentés dans Lettres d’examen physique.

Les étoiles à neutrons se forment lorsque des étoiles massives explosent en supernova : alors que les couches externes de l’étoile sont projetées dans l’espace, son intérieur s’effondre. Les atomes sont littéralement écrasés par la force gravitationnelle massive. Malgré leur répulsion, les électrons chargés négativement sont pressés si près des protons chargés positivement dans le noyau atomique qu’ils se transforment en neutrons.

L’interaction nucléaire forte empêche alors un nouvel effondrement. Le résultat est un objet composé d’environ 95 % de neutrons et de 5 % de protons : une « étoile à neutrons ».

Les chercheurs de Darmstadt, dirigés par Achim Schwenk, sont des experts en physique nucléaire théorique, et s’intéressent notamment aux étoiles à neutrons. Leurs travaux actuels se concentrent sur la croûte de ces objets extrêmes. La matière de la croûte externe n’est pas aussi dense qu’à l’intérieur et on y trouve encore des noyaux atomiques.

À mesure que la densité augmente, un excès de neutrons se développe dans les noyaux atomiques. Les neutrons peuvent alors « s’écouler » hors des noyaux, un phénomène connu sous le nom de « goutte à goutte de neutrons ». Les noyaux atomiques « nagent » ainsi dans une sorte de sauce neutronique.

« Nous nous sommes demandé si les protons pouvaient s’écouler aussi loin des noyaux », explique Achim Schwenk. « La littérature n’était pas claire sur cette question », poursuit le physicien. L’équipe composée de Jonas Keller et Kai Hebeler de la TU Darmstadt et de Christopher Pethick de l’Institut Niels Bohr de Copenhague a calculé l’état de la matière nucléaire dans les conditions de la croûte des étoiles à neutrons.

Contrairement à ce qui se passait auparavant, ils ont calculé directement son énergie en fonction de la fraction de protons. De plus, ils ont inclus dans leurs calculs les interactions par paires entre particules ainsi que celles entre trois nucléons.

La méthode a été couronnée de succès : les chercheurs ont pu démontrer que des protons de la croûte interne s’écoulent également des noyaux. Le « goutte-à-goutte de protons » existe donc bel et bien. Cette phase composée de protons coexiste avec les neutrons.

« Nous avons également pu montrer que cette phase favorise le phénomène des pâtes nucléaires », explique Schwenk. Grâce aux protons saupoudrés dans la « sauce », les nucléons peuvent mieux exister sous forme de spaghettis et de lasagnes. Cela a permis à l’équipe d’affiner l’image de la matière nucléaire dans la croûte des étoiles à neutrons.

« Plus nous pourrons décrire les étoiles à neutrons, plus nous pourrons les comparer aux observations astrophysiques », explique Schwenk. Les étoiles à neutrons sont difficiles à appréhender en astrophysique. Par exemple, nous ne connaissons leur rayon qu’indirectement, grâce aux effets gravitationnels sur une autre étoile à neutrons. En outre, d’autres phénomènes, comme l’émission radio pulsée des étoiles à neutrons, peuvent être observés.

Le résultat de l’équipe améliore la compréhension théorique des étoiles à neutrons et contribue à apporter de nouvelles perspectives sur ces mystères de l’univers à partir de mesures astrophysiques.