Il faut 512 ans pour qu'un photon de haute énergie se déplace de l'étoile à neutrons la plus proche à la Terre. Quelques-uns seulement font le voyage. Mais ils portent les informations nécessaires pour résoudre l'une des questions les plus difficiles en astrophysique.
Les photons jaillissent dans l'espace dans une ruée énergétique. Des faisceaux chauds d'énergie de rayons X jaillissent de la surface du minuscule vestige en rotation ultradense d'une supernova. Les poutres se dispersent sur de longs siècles en transit. Mais de temps en temps, un seul point de lumière X qui a parcouru 157 parsecs (512 années-lumière) à travers l'espace - 32 millions de fois la distance entre la Terre et le soleil - se dépense contre le X de la Station spatiale internationale (ISS) télescope à rayons, surnommé NICER. Ensuite, sur Terre, un fichier texte entre dans un nouveau point de données: l'énergie du photon et son heure d'arrivée, mesurés avec une précision en microsecondes.
Ce point de données, ainsi que d'innombrables autres comme il a été collecté au cours des mois, répondra à une question fondamentale dès l'été 2018: Quelle est la largeur de J0437-4715, le plus proche voisin de l'étoile à neutrons de la Terre?
Si les chercheurs peuvent déterminer la largeur d'une étoile à neutrons, la physicienne Sharon Morsink a déclaré à une foule de scientifiques lors de la réunion d'avril 2018 de l'American Physical Society (APS), que ces informations pourraient ouvrir la voie à la résolution de l'un des grands mystères de la physique des particules: comment la matière se comporte-t-elle lorsqu'elle est poussée à ses extrêmes?
Sur Terre, étant donné la technologie existante de l'humanité, il existe des limites strictes sur la façon dont la matière dense peut devenir, même dans des laboratoires extrêmes, et des limites encore plus strictes sur la durée de survie des matières les plus denses que les scientifiques fabriquent. Cela signifie que les physiciens n'ont pas été en mesure de comprendre comment les particules se comportent à des densités extrêmes. Il n'y a tout simplement pas beaucoup de bonnes expériences disponibles.
«Il existe un certain nombre de méthodologies différentes que les gens proposent pour essayer de dire comment la matière super-dense devrait se comporter, mais ils ne sont pas tous d'accord», a déclaré Morsink, physicien à l'Université de l'Alberta et membre d'un groupe de travail de la NASA. concentré sur la largeur des étoiles à neutrons, a déclaré Live Science. "Et la façon dont ils ne sont pas tous d'accord peut en fait être testée parce que chacun d'eux fait une prédiction de la taille d'une étoile à neutrons."
En d'autres termes, la solution au mystère de la matière ultradense est enfermée à l'intérieur de certains des objets les plus denses de l'univers - les étoiles à neutrons. Et les scientifiques peuvent percer ce mystère dès qu'ils mesurent précisément la largeur (et donc la densité) des étoiles à neutrons.
Physique des particules dans l'espace lointain
"Les étoiles à neutrons sont les objets les plus scandaleux dont la plupart des gens n'ont jamais entendu parler", a déclaré le scientifique de la NASA Zaven Arzoumanian aux physiciens lors de la réunion à Columbus, Ohio.
Arzoumanian est l'un des chefs du projet NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer) de la NASA, qui constitue la base technique du travail de Morsink. NICER est un grand télescope pivotant monté sur l'ISS; il surveille et chronomètre avec précision les rayons X qui arrivent dans la zone de basse orbite terrestre depuis l'espace lointain.
Une étoile à neutrons est le noyau laissé après une explosion massive de supernova, mais on pense qu'elle n'est pas beaucoup plus large qu'une ville de taille moyenne. Les étoiles à neutrons peuvent tourner à des fractions élevées de la vitesse de la lumière, tirant des faisceaux scintillants d'énergie de rayons X dans l'espace avec un timing plus précis que le tic-tac d'horloges atomiques.
Et surtout pour Morsink et ses collègues, les étoiles à neutrons sont les objets connus les plus denses de l'univers qui ne se sont pas effondrés dans des trous noirs - mais contrairement aux trous noirs, il est possible pour les scientifiques de comprendre ce qui se passe à l'intérieur. Les astronomes ont juste besoin de savoir précisément quelle est la largeur des étoiles à neutrons, et NICER est l'instrument qui devrait enfin répondre à cette question.
Soupe de quark
Les scientifiques ne savent pas exactement comment la matière se comporte dans le noyau extrême d'une étoile à neutrons, mais ils en comprennent suffisamment pour savoir que c'est très bizarre.
Daniel Watts, physicien des particules à l'Université d'Edimbourg, a déclaré à un public distinct lors de la conférence APS que l'intérieur d'une étoile à neutrons est essentiellement un très gros point d'interrogation.
Les scientifiques ont d'excellentes mesures des masses d'étoiles à neutrons. La masse de J0437-4715, par exemple, est environ 1,44 fois celle du soleil, bien qu'elle soit plus ou moins de la taille du Lower Manhattan. Cela signifie, a déclaré Morsink, que J0437-4715 est beaucoup plus dense que le noyau d'un atome - de loin l'objet le plus dense que les scientifiques rencontrent sur Terre, où la grande majorité de la matière d'un atome se rassemble en un tout petit point en son centre.
À ce niveau de densité, a expliqué Watts, il n'est pas du tout clair comment la matière se comporte. Les quarks, les minuscules particules qui composent les neutrons et les protons, qui composent les atomes, ne peuvent pas exister librement par eux-mêmes. Mais lorsque la matière atteint des densités extrêmes, les quarks peuvent continuer à se lier en particules similaires à celles de la Terre, ou former des particules plus grandes et plus complexes, ou peut-être se mélanger entièrement dans une soupe de particules plus généralisée.
Ce que les scientifiques savent, a déclaré Watts à Live Science, c'est que les détails sur le comportement de la matière à des densités extrêmes détermineront la largeur réelle des étoiles à neutrons. Donc, si les scientifiques peuvent trouver des mesures précises des étoiles à neutrons, ils peuvent réduire la gamme des possibilités de comportement de la matière dans ces conditions extrêmes.
Et répondre à cette question, a déclaré Watts, pourrait débloquer des réponses à toutes sortes de mystères de la physique des particules qui n'ont rien à voir avec les étoiles à neutrons. Par exemple, at-il dit, cela pourrait aider à comprendre comment les neutrons individuels s'organisent dans les noyaux d'atomes très lourds.
Les mesures NICER prennent du temps
La plupart des étoiles à neutrons, selon Morsink, auraient une largeur d'environ 12 à 17 miles (20 et 28 kilomètres), bien qu'elles puissent être aussi étroites que 10 miles (16 km). C'est une gamme très étroite en termes d'astronomie, mais pas assez précise pour répondre aux types de questions qui intéressent Morsink et ses collègues.
Pour pousser vers des réponses encore plus précises, Morsink et ses collègues étudient les rayons X provenant de «points chauds» en rotation rapide sur les étoiles à neutrons.
Bien que les étoiles à neutrons soient des sphères incroyablement compactes, leurs champs magnétiques rendent l'énergie dégagée de leurs surfaces assez inégale. Des plaques brillantes se forment et se développent sur leurs surfaces, tournant en rond pendant que les étoiles se tournent plusieurs fois par seconde.
C'est là que NICER entre en jeu. NICER est un grand télescope pivotant monté sur l'ISS qui peut chronométrer la lumière provenant de ces patchs avec une régularité incroyable.
Cela permet à Morsink et à ses collègues d'étudier deux choses, qui peuvent toutes deux les aider à déterminer le rayon d'une étoile à neutrons:
1. La vitesse de rotation: Lorsque l'étoile à neutrons tourne, a déclaré Morsink, la tache lumineuse à sa surface clignote vers et loin de la Terre presque comme le faisceau d'un phare qui tourne en rond. Morsink et ses collègues peuvent étudier attentivement les données NICER pour déterminer à la fois combien de fois l'étoile clignote à chaque instant et à quelle vitesse le point lumineux se déplace dans l'espace. Et la vitesse du mouvement du point lumineux est fonction de la vitesse de rotation de l'étoile et de son rayon. Si les chercheurs peuvent déterminer la rotation et la vitesse, le rayon est relativement facile à déterminer.
2. Flexion légère: Les étoiles à neutrons sont si denses que NICER peut détecter les photons du point lumineux de l'étoile qui a tiré dans l'espace alors que le point était dirigé loin de la Terre. Le puits de gravité d'une étoile à neutrons peut courber la lumière si fortement que ses photons se tournent vers le capteur de NICER et le frappent. Le taux de courbure de la lumière est également fonction du rayon de l'étoile et de sa masse. Ainsi, en étudiant soigneusement combien une étoile avec une lumière connue dans les courbes de masse, Morsink et ses collègues peuvent déterminer le rayon de l'étoile.
Et les chercheurs sont sur le point d'annoncer leurs résultats, a déclaré Morsink. (Plusieurs physiciens lors de sa conférence APS ont exprimé une légère déception de ne pas avoir annoncé un nombre spécifique et l'excitation que cela allait arriver.)
Morsink a déclaré à Live Science qu'elle n'essayait pas de taquiner l'annonce à venir. NICER n'a tout simplement pas encore collecté suffisamment de photons pour que l'équipe puisse proposer une bonne réponse.
"C'est comme sortir un gâteau du four trop tôt: vous vous retrouvez avec un gâchis", a-t-elle déclaré.
Mais les photons arrivent, un par un, pendant les mois d'étude périodique de NICER. Et une réponse se rapproche. À l'heure actuelle, l'équipe examine les données de J0437-4715 et de l'étoile à neutrons la plus proche de la Terre, qui est environ deux fois plus éloignée.
Morsink a déclaré qu'elle n'était pas sûre du rayon de l'étoile à neutrons qu'elle et ses collègues publieraient en premier, mais elle a ajouté que les deux annonces arriveront dans quelques mois.
"Le but est que cela se produise plus tard cet été, où" l'été "est utilisé dans un sens assez large", a-t-elle déclaré. "Mais je dirais que d'ici septembre, nous devrions avoir quelque chose."
