Une traduction
est proposée à nos lecteurs de l’article de PHYS ORG/SIENCE X reçu hier qui pose
deux problèmes scientifiques simultanément
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« Researchers discover a new type of matter
inside neutron stars
by
University of Helsinki
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Des
chercheurs découvrent un nouveau type de matière à l'intérieur des étoiles à
neutrons
par
l'Université d'Helsinki
PHOTO /Confirmer
l'existence de « noyaux de quarks » à l'intérieur des étoiles à
neutrons a été l'un des objectifs les plus importants de la physique des
étoiles à neutrons au cours des 40 dernières années. Crédit: Jyrki Hokkanen,
CSC - IT Center for Science
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Un groupe de
recherche finlandais a trouvé des preuves solides de la présence de
matière à quarks exotiques à
l'intérieur des noyaux des plus grandes étoiles à neutrons existantes. Ils sont
parvenus à cette conclusion en combinant les résultats récents de la physique
théorique des particules et de la physique nucléaire aux mesures des ondes
gravitationnelles survenues lors des
collisions d'étoiles à neutrons.
Toute la
matière normale qui nous entoure est composée d'atomes, dont les noyaux denses,
comprenant des protons et des neutrons, sont entourés d'électrons chargés
négativement. Cependant, à l'intérieur des étoiles à neutrons, la matière
atomique est suspectée de s'effondrer en une matière nucléaire
extrêmement dense dans laquelle les neutrons et les protons sont si étroitement
liés que l'étoile entière peut être considérée comme un énorme noyau unique ……
Jusqu'à
présent, on ne sait toujours pas si la matière nucléaire dans le cœur des
étoiles à neutrons les plus massives s'effondrerait dans un état encore plus
exotique appelé matière à quarks dans lequel les noyaux eux-mêmes n'existeraient
plus. Des chercheurs de l'Université
d'Helsinki affirment maintenant que la réponse à cette question est oui. Les
nouveaux résultats ont été publiés dans Nature Physics.
"Confirmer
l'existence de « noyaux à quarks »
à l'intérieur des étoiles à neutrons a été l'un des objectifs les plus
importants de la physique des étoiles à neutrons depuis que cette possibilité a
été envisagée pour la première fois il y a environ 40 ans", explique le
professeur agrégé Aleksi Vuorinen du département de physique de l'Université
d'Helsinki.
Même après des simulations à grande échelle exécutées sur
des superordinateurs ils se sont montrés
incapables de déterminer le devenir de
la matière nucléaire à l'intérieur des étoiles à neutrons, le groupe de recherche finlandais a donc proposé
une nouvelle approche du problème. Ils ont réalisé qu'en combinant les découvertes
récentes de la physique théorique des particules et de la physique nucléaire
avec des mesures astrophysiques, il pourrait être possible de déduire les
caractéristiques et l'identité de la matière résidant à l'intérieur des étoiles
à neutrons.
Outre Vuorinen,
le groupe comprend le doctorant Eemeli Annala d'Helsinki, ainsi que leurs
collègues Tyler Gorda de l'Université de Virginie, Aleksi Kurkela du CERN et
Joonas Nättilä de l'Université Columbia.
Selon
l'étude, la matière résidant à l'intérieur des noyaux des étoiles à neutrons
stables les plus massives ressemble beaucoup plus à de la matière à quarks qu'à de la matière
nucléaire ordinaire. Les calculs indiquent que dans ces étoiles, le diamètre du
« cœur » identifié comme
matière à quark peut dépasser la moitié
de celui de l'étoile à neutrons entière. Cependant, Vuorinen souligne qu'il
existe encore de nombreuses incertitudes associées à la structure exacte des
étoiles à neutrons. Que cela signifie rait
–il de prétendre que la « matière à quarks » vient d’être presque
certainement été découverte?
"Il y a
encore une petite mais non nulle chance que toutes les étoiles à neutrons
soient composées uniquement de matière nucléaire. Ce que nous avons pu faire,
cependant, est de quantifier ce que ce scénario nécessiterait. En bref, le comportement de la matière nucléaire dense
devrait alors être vraiment particulier. Par exemple, la vitesse du son devrait
atteindre presque celle de la lumière ", explique Vuorinen.
Un facteur
clé contribuant à ces nouvelles découvertes a été l'émergence de deux résultats
récents en astrophysique observationnelle: la mesure des ondes
gravitationnelles d'une fusion d'étoiles à neutrons et la détection d'étoiles à
neutrons très massives, avec des masses proches de deux masses solaires.
À l'automne
2017, les observatoires LIGO et Virgo ont détecté pour la première fois des
ondes gravitationnelles générées par la fusion de deux étoiles à neutrons.
Cette observation a fixé une limite supérieure rigoureuse pour une quantité
appelée déformabilité par effet de marées,
qui mesure la susceptibilité de la structure d'une étoile en orbite au champ
gravitationnel de son compagnon. Ce résultat a ensuite été utilisé pour dériver
une limite supérieure pour les rayons des étoiles à neutrons en collision, qui
s'est avéré être d'environ 13 km.
De même,
alors que la première observation d'une étoile à neutrons remonte à 1967, des
mesures de masse précises de ces étoiles n'ont été possibles que depuis une
vingtaine d'années. La plupart des étoiles avec des masses connues avec
précision se situent à l'intérieur d'une fenêtre comprise entre 1 et 1,7 masse
solaire, mais la dernière décennie a vu la détection de trois étoiles
atteignant ou dépassant même légèrement la limite des deux masses solaires
De façon
quelque peu contre-intuitive, les informations sur les rayons et les masses des
étoiles à neutrons ont déjà considérablement réduit les incertitudes associées
aux propriétés thermodynamiques de la matière des étoiles à neutrons. Cela a
également permis de compléter l'analyse présentée par le groupe de recherche
finlandais dans son article Nature Physics.
Dans la
nouvelle analyse, les observations astrophysiques ont été combinées avec des
résultats théoriques de pointe de la physique des particules et nucléaire. Cela
a permis de dériver une prédiction précise pour ce qui est connu comme
l'équation d'état de la matière des étoiles à neutrons, qui se réfère à la
relation entre sa pression et sa densité d'énergie. Une composante intégrante
de ce processus était un résultat bien connu de la relativité générale, qui
relie l'équation d'état à une relation entre les valeurs possibles des rayons
et des masses des étoiles à neutrons.
Depuis
l'automne 2017, un certain nombre de nouvelles fusions d'étoiles à neutrons ont
été observées, et LIGO et Virgo deviennent maintenant partie
intégrante de la recherche sur les étoiles à neutrons. C'est cette accumulation
rapide de nouvelles informations d'observation qui joue un rôle clé dans
l'amélioration de la précision des nouvelles découvertes du groupe de recherche
finlandais et dans la confirmation de l'existence de la matière des quarks à
l'intérieur des étoiles à neutrons. De nouvelles observations étant attendues
dans un proche avenir, les incertitudes associées aux nouveaux résultats
diminueront également automatiquement.
"Il y a
des raisons de croire que l'âge d'or de l'astrophysique des ondes
gravitationnelles ne fait que commencer et que nous assisterons prochainement à
de nombreux autres sauts comme celui-ci dans notre compréhension de la
nature", se réjouit Vuorinen.
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Explore further
Gravitational waves could prove the existence of the
quark-gluon plasma
More information: Eemeli Annala et al, Evidence for
quark-matter cores in massive neutron stars, Nature Physics (2020). DOI:
10.1038/s41567-020-0914-9
Journal
information: Nature Physics
Provided by
University of Helsinki
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MES COMMENTAIRES
Comme je l’ai dit en début d’article il faut attendre encore d’autres
résultats pour être sur des propositions
finlandaises Car je vois plusieurs hypothèses
risquées …. La première
c’est la violation du théorème de Gross, Politzer ,Wilczek sur
la liberté
asymptotique allouée aux quarks
confinés dans les noyaux … Dans le modèle classique, lors de la supernova ,tous
les protons deviennent neutrons et la «
garniture » des électrons est
expulsée en surface de la nouvelle étoile dont je vous propose la structure en photo
wikipedia
Mais elle disparait déjà pour les mésons
quarks –antiquarks très labiles ….
.La deuxieme
est la difficulté de défi un rayon précis,
donc une équation d’état pour une
structure globale hétérogène si toute l’étoile à neutrons nouvelle ( à
dimensions de planète naine !) ne
devient que partiellement «
matière à quarks » ….
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