Les scientifiques ont obtenu leur meilleure mesure à ce jour de la taille et du contenu d'une étoile à neutrons, un objet ultra-dense contenant la matière la plus étrange et la plus rare de l'Univers.
Cette mesure peut conduire à une meilleure compréhension des éléments constitutifs de la nature - protons, neutrons et leurs quarks constitutifs - car ils sont comprimés à l'intérieur de l'étoile à neutrons à une densité de milliers de milliards de fois supérieure à celle de la Terre.
Le Dr Tod Strohmayer du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, et son collègue, Adam Villarreal, un étudiant diplômé de l'Université de l'Arizona, présentent ces résultats aujourd'hui lors d'une conférence de presse sur le Web à la Nouvelle-Orléans lors de la réunion de la Division d'astrophysique des hautes énergies de l'American Astronomical Society.
Ils ont déclaré que leur meilleure estimation du rayon d'une étoile à neutrons était de 11,5 kilomètres, plus ou moins une promenade dans le quartier français. La masse semble être 1,75 fois celle du Soleil, plus massive que ne le prédisent certaines théories. Ils ont fait leurs mesures avec Rossi X-ray Timing Explorer de la NASA et archivé les données radiographiques
La relation masse-rayon longtemps recherchée définit la relation interne de densité et de pression de l'étoile à neutrons, la soi-disant équation d'état. Et cela, à son tour, détermine quel type de matière peut exister à l'intérieur d'une étoile à neutrons. Le contenu offre un test crucial pour les théories décrivant la nature fondamentale de la matière et de l'énergie et la force des interactions nucléaires.
"Nous aimerions vraiment mettre la main sur le truc au centre d'une étoile à neutrons", a déclaré Strohmayer. "Mais comme nous ne pouvons pas faire cela, il s'agit de la meilleure chose suivante. Une étoile à neutrons est un laboratoire cosmique et offre la seule occasion de voir les effets de la matière compressée à un tel degré. »
Une étoile à neutrons est le noyau d'une étoile autrefois plus grande que le Soleil. L'intérieur contient de la matière sous des forces qui existaient peut-être au moment du Big Bang mais qui ne peuvent pas être reproduites sur Terre. L'étoile à neutrons dans l'annonce d'aujourd'hui fait partie d'un système d'étoiles binaires nommé EXO 0748-676, situé dans la constellation Volans, ou Flying Fish, à environ 30000 années-lumière de distance, visible dans le ciel du sud avec un grand télescope d'arrière-cour.
Dans ce système, le gaz d'une étoile compagnon «normale» plonge sur l'étoile à neutrons, attirée par la gravité. Cela déclenche des explosions thermonucléaires sur la surface de l'étoile à neutrons qui illuminent la région. De telles rafales révèlent souvent la vitesse de rotation de l'étoile à neutrons à travers un scintillement dans la lumière des rayons X émise, appelée oscillation en rafale. (Reportez-vous aux points 1 à 6 pour un concept d'artiste de ce processus. Un film et une légende détaillée se trouvent dans la colonne bleue à droite.)
Les scientifiques ont détecté une fréquence d'oscillation en rafale de 45 hertz, ce qui correspond à un taux de rotation des étoiles à neutrons de 45 fois par seconde. C'est un rythme tranquille pour les étoiles à neutrons, qui sont souvent vues tourner plus de 300 fois par seconde.
Les scientifiques ont ensuite capitalisé sur les observations EXO 0748-676 avec le satellite XMM-Newton de l'Agence spatiale européenne de 2002, dirigé par le Dr Jean Cottam de la NASA Goddard. L’équipe de Cottam avait détecté des raies spectrales émises par des gaz chauds, d’aspect similaire aux raies d’un cardiogramme. Ces lignes avaient deux caractéristiques. Tout d'abord, ils ont été décalés Doppler. Cela signifie que l'énergie détectée était une moyenne de la lumière tournant autour de l'étoile à neutrons, s'éloignant de nous puis vers nous. Deuxièmement, les lignes ont été décalées gravitationnellement vers le rouge. Cela signifie que la gravité a attiré la lumière alors qu'elle tentait de s'échapper de la région, volant un peu de son énergie.
Strohmayer et Villarreal ont déterminé que la fréquence de 45 hertz et les largeurs de ligne observées du décalage Doppler sont compatibles avec un rayon d'étoile à neutrons compris entre 9,5 et 15 kilomètres, avec la meilleure estimation à 11,5 kilomètres. La relation entre la fréquence d’éclatement, le décalage Doppler et le rayon est que la vitesse du gaz tourbillonnant autour de la surface de l’étoile dépend du rayon de l’étoile et de sa vitesse de rotation. Essentiellement, un spin plus rapide correspond à une ligne spectrale plus large (une technique similaire à la façon dont un soldat d'état peut détecter des voitures en excès de vitesse).
La mesure du redshift gravitationnel de l'équipe Cottam a offert la première mesure d'un rapport masse-rayon, bien que sans connaissance d'une masse et d'un rayon. En effet, le degré de décalage vers le rouge (force de gravité) dépend de la masse et du rayon de l'étoile à neutrons. Certains scientifiques ont remis en question cette mesure, car les raies spectrales détectées semblaient trop étroites. Les nouveaux résultats renforcent l’interprétation du décalage vers le rouge gravitationnel des raies spectrales de l’équipe Cottam (et donc le rapport masse-rayon) car une étoile à rotation plus lente peut facilement produire des raies relativement étroites.
Ainsi, toujours plus confiants dans le rapport masse-rayon et connaissant maintenant le rayon, les scientifiques pouvaient calculer la masse de l'étoile à neutrons. La valeur se situait entre 1,5 et 2,3 masses solaires, avec la meilleure estimation à 1,75 masses solaires.
Le résultat confirme la théorie selon laquelle la matière dans l'étoile à neutrons dans EXO 0748-676 est si serrée que presque tous les protons et électrons sont pressés dans des neutrons, qui tourbillonnent comme un superfluide, un liquide qui coule sans frottement. Pourtant, la question n'est pas si serrée que les quarks sont libérés, une soi-disant étoile de quark.
"Nos résultats commencent vraiment à mettre la pression sur l'équation d'état des étoiles à neutrons", a déclaré Villareal. «Il semble que les équations d'état qui prédisent que les étoiles très grandes ou très petites sont presque exclues. Ce qui est peut-être plus excitant, c'est que nous avons maintenant une technique d'observation qui devrait nous permettre de mesurer les relations masse-rayon dans d'autres étoiles à neutrons. »
Une mission proposée par la NASA appelée Observatoire des rayons X de la Constellation aurait la capacité de faire de telles mesures, mais avec une précision beaucoup plus grande, pour un certain nombre de systèmes d'étoiles à neutrons.
Source d'origine: communiqué de presse de la NASA
