Pysicists show that neutron stars may be shrouded in clouds of axions
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Des physiciens montrent que les étoiles à neutrons pourraient être enveloppées de nuages d’axions
par l’Université d’Amsterdam
Un nuage d’axions autour d’une étoile à neutrons. Si certains axions échappent à l’attraction gravitationnelle de l’étoile, beaucoup restent liés à l’étoile et forment sur une longue période un nuage qui l’entoure. L’interaction avec le champ magnétique puissant de l’étoile à neutrons provoque la conversion de certains axions en photons – de la lumière que nous pouvons éventuellement détecter avec nos télescopes sur Terre. Crédit : Université d’Amsterdam
Une équipe de physiciens des universités d’Amsterdam, de Princeton et d’Oxford a montré que des particules extrêmement légères appelées axions peuvent se former dans de grands nuages autour des étoiles à neutrons. Ces axions pourraient expliquer la matière noire insaisissable que recherchent les cosmologistes – et de plus, ils ne seraient peut-être pas trop difficiles à observer.
La recherche a été publiée dans la revue Physical Review X et fait suite à des travaux antérieurs, dans lesquels les auteurs ont également étudié les axions et les étoiles à neutrons, mais d’un point de vue complètement différent.
Alors que dans leurs travaux précédents, ils étudiaient les axions qui s'échappent de l'étoile à neutrons, les chercheurs se concentrent désormais sur ceux qui restent derrière, ceux qui sont capturés par la gravité de l'étoile. Au fil du temps, ces particules devraient progressivement former un nuage brumeux autour de l'étoile à neutrons, et il s'avère que de tels nuages d'axions pourraient bien être observables dans nos télescopes. Mais pourquoi les astronomes et les physiciens s'intéressent-ils autant aux nuages brumeux autour d'étoiles lointaines ?
Axions : du savon à la matière noire
Protons, neutrons, électrons, photons : la plupart d'entre nous connaissent les noms d'au moins certaines de ces minuscules particules. L'axion est moins connu, et pour une bonne raison : pour l'instant, il ne s'agit que d'un type de particule hypothétique, que personne n'a encore détecté.
Nommé d'après une marque de savon, son existence a été postulée pour la première fois dans les années 1970, pour résoudre un problème (d'où la référence au savon) dans notre compréhension de l'une des particules que nous pouvions très bien observer : le neutron. Cependant, bien que théoriquement très intéressants, ces axions, s'ils existaient, seraient extrêmement légers, ce qui les rendrait très difficiles à détecter dans des expériences ou des observations.
Aujourd'hui, les axions sont également connus comme un candidat de premier plan pour expliquer la matière noire, l'un des plus grands mystères de la physique contemporaine. De nombreux éléments de preuve différents suggèrent qu'environ 85 % du contenu en matière de notre univers est « sombre », ce qui signifie simplement qu'il n'est composé d'aucun type de matière que nous connaissons et pouvons actuellement observer.
Au lieu de cela, l'existence de la matière noire n'est déduite qu'indirectement par l'influence gravitationnelle qu'elle exerce sur la matière visible. Heureusement, cela ne signifie pas automatiquement que la matière noire n'a aucune autre interaction avec la matière visible, mais si de telles interactions existent, leur force est nécessairement minime. Comme son nom l'indique, tout candidat viable à la matière noire est donc incroyablement difficile à observer directement.
En mettant les uns et les autres ensemble, les physiciens ont réalisé que l'axion pourrait être exactement ce qu'ils recherchent pour résoudre le problème de la matière noire. Une particule qui n’a pas encore été observée, qui serait extrêmement légère et aurait de très faibles interactions avec d’autres particules… les axions pourraient-ils au moins expliquer en partie la matière noire ?
Les étoiles à neutrons comme loupes
L’idée de l’axion comme particule de matière noire est intéressante, mais en physique, une idée n’est vraiment intéressante que si elle a des conséquences observables. Y aurait-il un moyen d’observer les axions après tout, cinquante ans après que leur existence possible ait été proposée pour la première fois ?
Lorsqu’ils sont exposés à des champs électriques et magnétiques, on s’attend à ce que les axions soient capables de se convertir en photons – des particules de lumière – et vice versa. La lumière est quelque chose que nous savons observer, mais comme mentionné précédemment, la force d’interaction correspondante devrait être très faible, et donc la quantité de lumière que les axions produisent généralement l’est aussi. À moins que l’on considère un environnement contenant une quantité vraiment massive d’axions, idéalement dans des champs électromagnétiques très puissants.
Cela a conduit les chercheurs à considérer les étoiles à neutrons, les étoiles les plus denses connues de notre univers. Ces objets ont des masses similaires à celle de notre Soleil, mais comprimées en étoiles de 12 à 15 kilomètres de diamètre.
De telles densités extrêmes créent un environnement tout aussi extrême qui, notamment, contient également d'énormes champs magnétiques, des milliards de fois plus puissants que ceux que nous trouvons sur Terre. Des recherches récentes ont montré que si les axions existent, ces champs magnétiques permettent aux étoiles à neutrons de produire en masse ces particules près de leur surface.
Ceux qui restent
Dans leurs travaux précédents, les auteurs se sont concentrés sur les axions qui, après leur production, s'échappaient de l'étoile. Ils ont calculé les quantités dans lesquelles ces axions seraient produits, les trajectoires qu'ils suivraient et comment leur conversion en lumière pourrait conduire à un signal faible mais potentiellement observable.
Cette fois, ils s'intéressent aux axions qui ne parviennent pas à s'échapper, ceux qui, malgré leur masse minuscule, sont capturés par l'immense gravité de l'étoile à neutrons.
En raison des interactions très faibles des axions, ces particules resteront en place et, sur des échelles de temps allant jusqu'à des millions d'années, elles s'accumuleront autour de l'étoile à neutrons. Cela peut entraîner la formation de nuages d'axions très denses autour des étoiles à neutrons, ce qui offre de nouvelles opportunités incroyables pour la recherche sur les axions.
Dans leur article, les chercheurs étudient la formation, ainsi que les propriétés et l'évolution ultérieure de ces nuages d'axions, soulignant qu'ils devraient, et dans de nombreux cas doivent, exister.
En fait, les auteurs soutiennent que si les axions existent, les nuages d'axions devraient être génériques (pour une large gamme de propriétés d'axions, ils devraient se former autour de la plupart, voire de toutes, des étoiles à neutrons), ils devraient en général être très denses (formant une densité peut-être vingt ordres de grandeur plus grande que les densités locales de matière noire), et de ce fait, ils devraient conduire à de puissantes signatures observationnelles.
Ces dernières peuvent se présenter sous de nombreux types, dont les auteurs en évoquent deux : un signal continu émis pendant de grandes parties de la vie d'une étoile à neutrons, mais aussi une explosion de lumière ponctuelle à la fin de la vie d'une étoile à neutrons, lorsqu'elle cesse de produire son rayonnement électromagnétique. Ces deux signatures pourraient être observées et utilisées pour sonder l'interaction entre les axions et les photons au-delà des limites actuelles, même en utilisant les radiotélescopes existants.
Quelle est la prochaine étape ?
Bien que jusqu'à présent, aucun nuage d'axions n'ait été observé, grâce aux nouveaux résultats, nous savons très précisément ce qu'il faut rechercher, ce qui rend une recherche approfondie des axions beaucoup plus réalisable. Si le point principal de la liste des choses à faire est donc « la recherche de nuages d’axions », le travail ouvre également plusieurs nouvelles pistes théoriques à explorer.
D’une part, l’un des auteurs est déjà impliqué dans des travaux de suivi qui étudient comment les nuages d’axions peuvent modifier la dynamique des étoiles à neutrons elles-mêmes. Une autre orientation de recherche future importante est la modélisation numérique des nuages d’axions : le présent article montre un grand potentiel de découverte, mais il faut davantage de modélisation numérique pour savoir encore plus précisément ce qu’il faut rechercher et où.
Enfin, les présents résultats concernent tous des étoiles à neutrons simples, mais beaucoup de ces étoiles apparaissent comme des composants de binaires, parfois avec une autre étoile à neutrons, parfois avec un trou noir. Comprendre la physique des nuages d’axions dans de tels systèmes, et éventuellement comprendre leurs signaux d’observation, serait très utile.
Ainsi, le présent travail constitue une étape importante dans une nouvelle direction de recherche passionnante. Une compréhension complète des nuages d’axions nécessitera des efforts complémentaires de plusieurs branches scientifiques, notamment l’astrophysique des particules, la physique des plasmas et la radioastronomie observationnelle.
Ces travaux ouvrent à ce nouveau domaine interdisciplinaire de nombreuses opportunités de recherche future.
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COMMENTAIRES
Cet article présentes plusieurs types d 'hypothéses tirées de l 'exploitation de certains types de signaux émises par des etoiles a neutrons
1°/ Ils estiment avoir montré
que lesparticules extrêmement légères appelées axions pourraient produire de grands nuages autour des étoiles à neutrons. Est ce vraiment le cas ????
2/ Ils envisagent que ce type de particules pourrait etre la mysterieuse matière noire ....Il s agit pour moi d une simple hypothèse de plus !
3/ Selon eux il
ne seraitpeut-être pas trop difficiles à l 'observer.
Là ,je finis par me facher !!!
Qu 'attedent ils aLORS
pour le faire !!!!
N-B/ Je rappelle a mes émèves qu' étoiles a neutrons et axions sont optiquement invisibles et que prsenter de telles images est une gageure !
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More information: Dion Noordhuis et al, Axion Clouds around Neutron Stars, Physical Review X (2024). DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041015
Journal information: Physical Review X
Provided by University of Amsterdam
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