Les étoiles à neutrons sont les restes d’étoiles massives après leur passage en supernova; tandis que les couches externes de l’étoile explosent vers l’extérieur, créant littéralement des feux d’artifice à l’échelle cosmique, le noyau de l’étoile s’effondre, devenant incroyablement comprimé. Si le noyau a une masse suffisante, il deviendra un trou noir, mais s’il est en deçà de cette limite, il deviendra une boule ultra-dense composée principalement de neutrons.
Les statistiques des étoiles à neutrons donnent à réfléchir. Ils ont une masse allant jusqu’à plus de deux fois le Soleil, mais la densité d’un noyau atomique: Plus de 100 billions de grammes par centimètre cube. C’est difficile à comprendre, mais pensez-y de cette façon: Si vous compressiez chaque voiture aux États-Unis en étoile à neutrons, vous obtiendrez un cube de 1 centimètre de côté. La taille d’un cube de sucre, ou d’une matrice à six faces. Toute l’humanité comprimée dans un tel état aurait moins de deux fois cette largeur.
Les étoiles à neutrons ont une gravité de surface des centaines de milliards de fois celle de la Terre et des champs magnétiques encore plus forts. Une étoile à neutrons située à la moitié de notre galaxie a eu un événement sismique qui nous a physiquement affectés ici sur Terre, à 50 000 années-lumière.
Tout sur les étoiles à neutrons est terrifiant. Mais pour autant, nous ne savons toujours pas exactement quelle est leur taille.
Une étoile à neutrons en rotation avec un puissant champ magnétique fouette des particules subatomiques autour d’elle. Crédit artistique : NASA/Swift / Aurore Simonnet, Université d’État de Sonoma
Je veux dire, nous avons une idée approximative, mais le nombre exact est difficile à déterminer. Ils sont trop petits pour être vus directement, nous devons donc déduire leur taille à partir d’autres observations, et celles-ci sont en proie à des incertitudes. Leur taille dépend également de leur masse. Mais en utilisant des observations de rayons X et d’autres émissions d’étoiles à neutrons, les astronomes ont découvert qu’elles avaient un diamètre de 20 à 30 kilomètres. C’est minuscule, pour une masse aussi énorme! Mais c’est aussi une gamme extrêmement large. Pouvons-nous faire mieux?
Oui! Un groupe de scientifiques a abordé le problème d’une manière différente et a pu réduire la taille de ces bêtes féroces mais petites: Ils ont constaté que, pour une étoile à neutrons d’une masse de 1,4 fois le Soleil (environ en moyenne pour de telles choses), elle aura un diamètre de 22,0 kilomètres (avec une incertitude de + 0,9 /-0,6 km). Ils trouvent que leur calcul est un facteur deux plus précis que tous les autres faits auparavant.
C’est small petit. Comme, vraiment petit. Je considérerais 22 km comme un court trajet en vélo, mais être juste le faire sur une étoile à neutrons serait difficile.
Une étoile à neutrons est incroyablement petite et dense, emballant la masse du Soleil en une boule de quelques kilomètres de diamètre. Cette œuvre représente une par rapport à Manhattan. Crédit: Centre de vol Spatial Goddard de la NASA
Comment ont-ils eu ce numéro ? La physique qu’ils ont employée est en fait diablement compliquée, mais ce qu’ils ont fait en fait, c’est résoudre l’équation d’état d’une étoile à neutrons — les équations physiques qui relient les caractéristiques d’un objet comme la pression, le volume et la température — pour obtenir les conditions d’une étoile à neutrons modèle dont la masse est fixée à 1,4 fois celle du Soleil.
Ils ont ensuite utilisé ces résultats et les ont comparés aux observations d’un événement de 2017: Une fusion de deux étoiles à neutrons qui a entraîné une explosion colossale appelée kilonova. Cet événement, appelé GW170817, a été un énorme tournant pour l’astronomie, car les étoiles à neutrons en collision ont émis de puissantes ondes gravitationnelles, secouant littéralement le tissu de l’Univers. C’était notre première alerte à l’événement, mais une grande partie des télescopes sur et au-dessus de la Terre a visé la partie du ciel où se trouvait la fusion, et a vu l’explosion elle-même, le kilonova. C’était la première fois qu’un événement émettait de l’énergie électromagnétique (c’est-à-dire de la lumière) qui a été vue pour la première fois dans les ondes gravitationnelles.
Illustration représentant le moment de la collision entre deux étoiles à neutrons. L’explosion qui en résulte est quite assez importante. Crédit: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.
Cela a également imposé beaucoup de contraintes aux étoiles à neutrons qui sont entrées en collision. Par exemple, après leur fusion, ils ont émis de la lumière d’une manière spécifique, et il s’avère que cela était incompatible avec le reste fusionné ayant une masse suffisante pour s’effondrer directement dans un trou noir. Cela se produit environ 2,4 fois la masse du Soleil, nous savons donc que les deux étoiles ensemble avaient moins de masse que cela. Inversement, la lumière était incompatible avec le reste étant une étoile à neutrons bien en dessous de cette limite. On dirait qu’une étoile à neutrons « hypermassive » s’est formée près de cette limite, a duré très peu de temps, puis s’est effondrée en un trou noir.
Toutes ces données ont servi de fourrage aux scientifiques calculant la taille des étoiles à neutrons. En comparant leurs modèles avec les données de GW170817, ils ont pu réduire considérablement la gamme de tailles qui avait du sens, en réduisant à zéro le diamètre de 22 km.
Cette taille a des implications intéressantes. Par exemple, une chose que les scientifiques des ondes gravitationnelles espèrent voir est la fusion d’un trou noir et d’une étoile à neutrons. Cela sera certainement détectable, mais la question est est-ce qu’il émettra de la lumière que les télescopes plus traditionnels peuvent voir? Cela se produit lorsque le matériau de l’étoile à neutrons est éjecté pendant la fusion, générant beaucoup de lumière.
Les scientifiques de ce nouveau travail ont couru les chiffres et ont constaté que pour une étoile à neutrons de 1,4 masse solaire et de 22 km de diamètre, tout trou noir plus grand qu’environ 3,4 fois la masse du Soleil n’éjecterait aucune matière! C’est une masse très faible pour un trou noir, et il est très peu probable que nous voyions une masse aussi faible, en particulier une étoile à neutrons qu’elle peut manger. Ils prédisent donc que cet événement ne sera vu que dans les ondes gravitationnelles et non dans la lumière. D’un autre côté, ce n’est que pour les trous noirs qui ne tournent pas, et en réalité, la plupart auront une rotation rapide; on ne sait pas ce qui se passerait là-bas, mais j’imagine que beaucoup de gens vont à nouveau exécuter leurs modèles pour voir ce qu’ils peuvent prédire.
Avoir la taille d’une étoile à neutrons signifie être capable de mieux comprendre ce qui se passe pendant leur rotation, car leurs champs magnétiques ridiculement puissants affectent la matière qui les entoure, comment ils accumulent de nouveaux matériaux et ce qui se passe près de la limite de masse entre une étoile à neutrons et un trou noir. Mieux encore, à mesure que les observateurs de l’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO / Virgo peaufinent leur équipement, ils s’attendent à ce que leur sensibilité augmente, permettant de meilleures observations des fusions d’étoiles à neutrons, qui peuvent ensuite être utilisées pour resserrer encore plus les contraintes de taille.
J’ai été fasciné par les étoiles à neutrons toute ma vie, et pour être honnête, c’est la bonne attitude. Ce sont des restes de supernovae; ils entrent en collision et fabriquent de l’or, du platine, du baryum et du strontium; ils sont la centrale derrière les pulsars; ils peuvent générer des explosions d’énergie époustouflantes; et sont les objets les plus denses que vous pouvez toujours considérer comme étant dans l’Univers (l’objet physique à l’intérieur de l’horizon des événements d’un trou noir est à jamais hors de notre portée). Je veux dire, allez. Ils sont incroyables.
Et qu’à propos de les dimensionne.