Quelle est la taille d’une étoile à neutrons ? Ces étoiles effondrées extrêmes et ultra-denses sont assez petites, en ce qui concerne les objets stellaires. Même si elles ont la masse d’une étoile de taille normale, leur taille est souvent comparée à la largeur d’une ville de taille moyenne à grande.
Pendant des années, les astronomes ont estimé que les étoiles à neutrons mesuraient entre 19 et 27 kilomètres de diamètre. Ce chiffre est en fait assez précis, compte tenu des distances et des caractéristiques des étoiles à neutrons. Mais les astronomes s’efforcent de ramener cette mesure à un niveau encore plus précis.
C’est ce que vient de faire une équipe internationale de chercheurs. En utilisant les données de plusieurs télescopes et observatoires différents, les membres de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle et de l’Institut Albert Einstein (AEI) ont réduit d’un facteur deux les estimations de la taille des étoiles à neutrons.
“Nous constatons que l’étoile à neutrons typique, qui est environ 1,4 fois plus lourde que notre Soleil, a un rayon d’environ 11 kilomètres”, a déclaré Badri Krishnan, qui a dirigé l’équipe de recherche à l’AEI de Hanovre.
“Nos résultats limitent le rayon à probablement se situer quelque part entre 10,4 et 11,9 kilomètres”
L’objet de l’étude de cette équipe est assez célèbre : la fusion binaire d’étoiles à neutrons GW170817 Gravitational Wave Observatory) et du consortium Virgo. qui a créé les ondes gravitationnelles détectées en 2017 par le LIGO (Laser-Interferometer
Cet objet a été étudié de nombreuses fois par de multiples télescopes, notamment le satellite Fermi, le télescope spatial Hubble et d’autres télescopes et observatoires dans le monde. Toutes ces observations ont permis à l’équipe de Max Planck de disposer d’une grande quantité de données sur lesquelles travailler.
“Les fusions d’étoiles à neutrons binaires sont une mine d’or d’informations”, a déclaré Collin Capano, chercheur à l’AEI de Hanovre et auteur principal d’un article publié dans Nature Astronomy.
“Les étoiles à neutrons contiennent la matière la plus dense de l’univers observable. (…) En mesurant les propriétés de ces objets, nous en apprenons davantage sur la physique fondamentale qui régit la matière au niveau sub-atomique.”
Les étoiles à neutrons se forment lorsqu’une étoile massive manque de combustible et s’effondre. La région centrale de l’étoile – le noyau – s’effondre, écrasant chaque proton et chaque électron en un neutron.
Si le noyau de l’étoile qui s’effondre a une masse comprise entre une et trois masses solaires, ces neutrons nouvellement créés peuvent arrêter l’effondrement, laissant derrière eux une étoile à neutrons.
Les étoiles de masse encore plus élevée continueront à s’effondrer en trous noirs de masse stellaire.
Mais l’effondrement en étoile à neutrons crée l’objet le plus dense que l’on connaisse – encore une fois, un objet ayant la masse d’un soleil écrasé à la taille d’une ville. Vous avez probablement déjà entendu cette autre comparaison, mais elle vaut la peine d’être répétée en raison de son caractère spectaculaire : Un morceau de sucre d’étoile à neutrons pèserait environ 1 trillion de kilogrammes (ou 1 milliard de tonnes) sur Terre, soit à peu près autant que le mont Everest.
Mais puisque la taille des autres étoiles peut varier considérablement, la taille des étoiles à neutrons ne pourrait-elle pas également varier ?
Tout d’abord, pour clarifier, le rayon cité dans cette étude concerne une étoile à neutrons dont la masse est 1,4 fois celle de notre Soleil.
“La raison pour laquelle nous pouvons utiliser GW170817 pour estimer le rayon d’une étoile à neutrons de 1,4 masse solaire est que nous nous attendons à ce que presque toutes les étoiles à neutrons soient faites de la même matière.”
Pour les autres étoiles “régulières”, la relation entre leur masse et leur rayon dépend d’un certain nombre de variables, comme l’élément que l’étoile fusionne dans son noyau, a expliqué Capano.
“Les étoiles à neutrons, en revanche, sont si compactes et denses qu’elles ne contiennent pas vraiment d’atomes distincts – l’étoile entière est essentiellement un noyau atomique unique géant, composé presque entièrement de neutrons serrés les uns contre les autres”, a-t-il déclaré.
“Pour cette raison, on ne peut pas considérer que les étoiles à neutrons sont composées de différents éléments. En effet, le terme “élément” n’a pas vraiment de sens à ces densités, puisque ce qui définit un élément est le nombre de protons qu’il possède dans ses atomes constitutifs.”
Capano a déclaré que puisque tous les neutrons sont constitués des mêmes choses (quarks, maintenus ensemble par des gluons), les astronomes s’attendent à ce qu’il y ait une correspondance universelle entre la masse et le rayon qui s’applique à toutes les étoiles à neutrons.
“Ainsi, lorsque nous citons la taille possible d’une étoile à neutrons de 1,4 masse solaire, nous limitons en fait les lois physiques possibles qui décrivent le monde subatomique”, a-t-il déclaré.
Comme l’équipe le décrit dans son article, ses résultats et ses processus peuvent également être appliqués à l’étude d’autres objets astronomiques, tels que les pulsars, les magnétars et même la façon dont les ondes gravitationnelles sont émises afin de fournir des détails sur ce qui crée ces ondes.
“Ces résultats sont passionnants, non seulement parce que nous avons pu améliorer considérablement les mesures du rayon des étoiles à neutrons, mais aussi parce qu’ils nous ouvrent une fenêtre sur le destin ultime des étoiles à neutrons dans les binaires en fusion”, a déclaré Stephanie Brown, co-auteur de la publication et doctorante à l’AEI de Hanovre.