Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision, ce n’est pas comme si nous pouvions nous y rendre avec un thermomètre pour mesurer les températures intenses générées au cœur de la collision.
Il existe d’autres observables qui peuvent nous aider à calculer les températures de surface, mais à l’intérieur ? C’est un peu plus délicat.
Si l’on ajoute à cela le fait que nous n’avons jamais vu qu’une seule collision d’étoiles à neutrons (à notre connaissance), ce n’est pas comme s’il y avait un tas d’occasions de perfectionner les techniques permettant de prendre la température d’un accrochage d’étoiles à neutrons.
C’est pourquoi des scientifiques de l’Université technique de Munich et du GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research en Allemagne (la collaboration HADES) ont fait preuve de créativité. Ils ont trouvé comment simuler la collision d’une étoile à neutrons ici même sur Terre. Et la réponse était un autre type de collision : les particules.
Des ions lourds, pour être précis. Il s’avère que certaines des conditions des collisions d’ions lourds – à savoir les densités et les températures – sont similaires à celles des collisions d’étoiles à neutrons. Et, tout comme des photons virtuels sont produits dans une collision d’étoiles à neutrons, ils peuvent également apparaître lorsque deux ions lourds sont écrasés l’un contre l’autre à des vitesses proches de celle de la lumière.
C’est possible en utilisant l’accélérateur d’ions lourds du GSI, mais il y a deux problèmes principaux. Le premier est que les photons virtuels apparaissent très rarement. Le second est qu’ils sont très faibles.
Le premier problème est facile à résoudre, même si cela prend un peu de temps. Il suffit de multiplier les collisions.
“Nous avons dû enregistrer et analyser environ 3 milliards de collisions pour finalement reconstituer 20 000 photons virtuels mesurables”, explique Jürgen Friese, physicien à la TUM.
Le deuxième problème est un peu plus délicat. L’équipe a dû concevoir une grande caméra personnalisée – 1,5 mètre carré – pour détecter les très faibles motifs de rayonnement Cherenkov générés par les produits de désintégration des photons virtuels.
Ceux-ci sont trop faibles pour être vus à l’œil nu.
“Nous avons donc mis au point une technique de reconnaissance de motifs dans laquelle une photo de 30 000 pixels est tramée en quelques microsecondes à l’aide de masques électroniques”, a expliqué M. Friese.
“Cette méthode est complétée par des réseaux neuronaux et de l’intelligence artificielle”
Ces données ont permis à l’équipe de sonder les propriétés en vrac de la matière extrêmement dense brièvement produite par les collisions d’ions lourds – et ils ont constaté qu’elle ressemblait aux propriétés attendues dans la matière qui se forme lors de la fusion d’une étoile à neutrons.
Ils ont ainsi pu déterminer que deux étoiles à neutrons en collision, chacune ayant une masse de 1,35 fois celle du Soleil, produiraient une température de 800 milliards de degrés Celsius. Cela signifie que de telles collisions font fusionner des noyaux lourds.
Mais ce n’est pas tout. Cette recherche permet de mieux comprendre la matière dense de quarks (matière QCD du Big Bang) qui a rempli l’Univers quelques instants après l’explosion de la Terre
“Un plasma de quarks et de gluons s’est transformé en nucléons et autres états liés hadroniques dans l’univers primitif”, écrivent les chercheurs dans leur article.
“On pense que des états similaires de la matière, à des températures plus basses, existent encore à l’intérieur d’objets stellaires compacts, tels que les étoiles à neutrons. La formation de cette matière cosmique lors de collisions d’ions lourds permet d’étudier la structure microscopique de la matière QCD à l’échelle femtoseconde.”
Les recherches de l’équipe ont été publiées dans Nature Physics.