Une nouvelle analyse théorique montre que la probabilité que les étoiles à neutrons massives cachent un noyau de matière quark se situe entre 80 % et 90 %. Les résultats ont été obtenus grâce à des exécutions à grande échelle sur un superordinateur utilisant des méthodes d'inférence statistique bayésiennes. Le noyau d’une étoile à neutrons contient aujourd’hui la plus forte densité de matière de l’univers, comprimant jusqu’à deux masses solaires dans une sphère de 25 kilomètres de diamètre. Ces objets peuvent en effet être considérés comme des noyaux atomiques géants, dont la gravité comprime leurs noyaux à des densités plusieurs fois supérieures à celles des protons et des neutrons individuels.
Ces densités font des étoiles à neutrons des objets astrophysiques intéressants du point de vue de la physique des particules et de la physique nucléaire. Une question de longue date est de savoir si la pression centrale massive d’une étoile à neutrons peut comprimer les protons et les neutrons en une nouvelle substance appelée matière de quarks froids. Dans cet état bizarre de la matière, les protons et les neutrons individuels n’existent plus.
"Les quarks et gluons qui les constituent sont libérés de leurs contraintes de couleur typiques et peuvent se déplacer presque librement", explique Aleksi Vuorinen, professeur de physique théorique des particules à l'Université d'Helsinki.
Dans un nouvel article récemment publié dans la revue Nature Communications, une équipe de recherche centrée sur l'Université d'Helsinki a réalisé la première estimation quantitative de la possibilité qu'un noyau de matière de quarks apparaisse à l'intérieur d'une étoile à neutrons massive. Leur étude montre que, sur la base des observations astrophysiques actuelles, la matière quark est presque inévitable dans les étoiles à neutrons les plus massives : les estimations quantitatives extraites par l'équipe situent cette possibilité entre 80 et 90 %.
La probabilité restante que toutes les étoiles à neutrons soient composées uniquement de matière nucléaire est faible, ce qui nécessite que le passage de la matière nucléaire à la matière des quarks soit une forte transition de phase de premier ordre, quelque peu similaire au processus de transformation de l'eau liquide en glace. Des changements aussi rapides dans les propriétés de la matière de l'étoile à neutrons ont le potentiel de déstabiliser l'étoile à neutrons au point où la formation, même d'un minuscule noyau de matière de quarks, provoquerait l'effondrement de l'étoile à neutrons dans un trou noir.
Une collaboration internationale entre des scientifiques de Finlande, de Norvège, d'Allemagne et des États-Unis suggère en outre que l'existence d'un noyau de matière de quarks pourrait un jour être pleinement confirmée ou infirmée. La clé est de pouvoir contrôler l’intensité de la transition de phase entre la matière nucléaire et la matière des quarks, ce qui devrait être possible une fois que le signal d’onde gravitationnelle produit par la dernière partie de la fusion d’étoiles à neutrons binaires sera un jour enregistré.
Exploiter les données d'observation pour les opérations de supercalculateurs à grande échelle
Un facteur clé pour parvenir à ces nouveaux résultats a été un ensemble de calculs à grande échelle sur un superordinateur utilisant l'inférence bayésienne, une branche de l'inférence statistique qui déduit la probabilité de différents paramètres de modèle par comparaison directe avec les données observées. La partie inférence bayésienne de l'étude a permis aux chercheurs de déduire de nouvelles limites sur les propriétés matérielles des étoiles à neutrons, démontrant qu'elles se rapprochent d'un comportement dit conforme à proximité des noyaux d'étoiles à neutrons à stabilité maximale.
Le Dr Joonas Nättilä, l'un des principaux auteurs de l'article, estime que ce travail est interdisciplinaire et nécessite une expertise en astrophysique, en physique des particules, en physique nucléaire et en informatique. Il commencera à travailler comme professeur associé à l’Université d’Helsinki en mai 2024.
"Il est fascinant que chaque nouvelle observation d'étoile à neutrons nous permette de déduire les propriétés du matériau de l'étoile à neutrons avec une précision croissante."
De son côté, Joonas Hirvonen, doctorant travaillant sous la direction de Neytilai et Wurinen, a souligné l'importance du calcul haute performance :
"Nous avons dû utiliser des millions d'heures de temps CPU sur un supercalculateur pour comparer nos prédictions théoriques avec les observations et déterminer la possibilité d'un noyau de matière de quarks. Nous sommes très reconnaissants au Centre finlandais de supercalculateur CSC de nous avoir fourni toutes les ressources dont nous avons besoin !"
Référence : « La matière en interaction forte présente un comportement déconfinant dans les étoiles à neutrons massifs », auteur : Eemeli Annala, Tyler Gorda, Joonas Hirvonen, Oleg Komoltsev, Aleksi Kurkela, Joonas Nättilä et Aleksi Vuorinen, 19 décembre 2023, « Nature - Communications ».
DOI:10.1038/s41467-023-44051-y
Source compilée : ScitechDaily