Selon une étude réalisée par une équipe internationale de physiciens, il est très probable que de la matière de quarks déconfinée ultra-dense existe dans le cœur des étoiles à neutrons les plus massives. L'équipe dirigée par Aleksi Vuorinen à l'Université d'Helsinki a appliqué l'inférence bayésienne aux observations d'étoiles à neutrons et a conclu qu'il existe 80 à 90 % d'états exotiques de la matière dans les objets les plus lourds.
À des températures et des pressions extrêmes, la théorie quantique des champs prédit que les quarks et les gluons ne se lient plus étroitement les uns aux autres – comme c’est le cas pour les protons, les neutrons et autres hadrons. Au lieu de cela, ils sont libres d’exister individuellement dans un plasma exotique quark-gluon appelé matière quark déconfinée.
On pense que cet état de la matière a dominé l’univers dès les premiers instants qui ont suivi le Big Bang. Il a également été créé très brièvement dans des installations telles que le Grand collisionneur de hadrons en brisant des noyaux lourds ensemble.
Objets denses et compacts
"Bien que l'étude expérimentale de la matière nucléaire et des quarks à haute densité avec des collisionneurs de particules reste extrêmement difficile, on sait depuis longtemps que la matière quark peut être présente dans la nature dans le cœur des étoiles à neutrons - les objets astrophysiques les plus denses et les plus compacts qui existent, » explique Vuorinen.
Les étoiles à neutrons sont des noyaux d'étoiles effondrés qui contiennent plus de matière que l'équivalent d'un soleil dans des objets d'un rayon de seulement 10 à 20 km. On s’attend à ce que la densité d’une étoile à neutrons augmente de sa croûte jusqu’à son noyau. En conséquence, les électrons et les protons à l’intérieur d’une telle étoile devraient être écrasés ensemble pour créer une matière composée principalement de neutrons.
De plus, certains physiciens pensent que la température et la pression au cœur d’une étoile à neutrons pourraient être suffisamment élevées pour permettre une transition de phase de la matière hadronique à la matière des quarks déconfinée. Pour rechercher des preuves d’une telle transition de phase, l’équipe de Vuorinen a utilisé « l’inférence bayésienne », qui est une méthode de déduction statistique qui déduit les probabilités de différents paramètres du modèle en effectuant des comparaisons directes avec des données d’observation.
Équation d'état
Dans ce cas, les observations sont les « équations d’état » des étoiles à neutrons. L'équation d'état relie la pression dans une étoile à neutrons à la densité – et peut être déduite en observant les propriétés d'une étoile à neutrons telles que sa masse et son rayon.
"Nous avons combiné cette approche à un cadre que nous avions déjà mis au point dans l'étude de la matière des étoiles à neutrons, dans lequel l'équation d'état de la matière dense des quarks est interpolée entre des régimes de faible et de haute densité connus avec précision", explique Vuorinen. Puisque l’équation d’état de la matière quark déconfinée devrait être fondamentalement différente de celle de la matière hadronique, cette approche devrait identifier la présence de matière quark déconfinée dans les cœurs des étoiles à neutrons observées.
Pour leur étude, Vuorinen et ses collègues ont utilisé des calculs d’équation d’état à partir de 12 observations d’étoiles à neutrons.
"Des études similaires ont déjà été réalisées, mais nous avons pu à la fois prendre en compte un nombre sans précédent de résultats d'observation dans notre étude et déduire de ces résultats la phase de matière en forte interaction", décrit Vuorinen. À l’aide de leur cadre récemment développé, l’équipe a utilisé un superordinateur pour calculer la probabilité que de la matière de quarks déconfinée soit présente dans les cœurs des étoiles à neutrons les plus lourdes qu’elles ont examinées.
Forte transition de phase de premier ordre
"Les résultats étaient de l'ordre de 80 à 90 %, ce qui est élevé, mais ne constitue en aucun cas une découverte", poursuit Vuorinen. « Les 10 à 20 % de probabilité restants correspondent à un scénario très intéressant en soi : nous avons pu montrer que si toutes les étoiles à neutrons existantes étaient composées uniquement de matière nucléaire, il devrait y avoir une forte transition de phase de premier ordre séparant les étoiles à neutrons. et les phases de matière des quarks.
Les étoiles à neutrons peuvent contenir des quarks libres
D'un point de vue astrophysique, la possibilité que de la matière de quarks déconfinée existe dans les noyaux d'étoiles à neutrons soulève toute une série de nouvelles questions intrigantes, explique un membre de l'équipe. Joonas Nattilä au Flatiron Institute et à l'Université Columbia à New York.
"Maintenant que nous savons qu'un nouvel état de matière peut se cacher à l'intérieur des étoiles à neutrons, nous pouvons commencer à spéculer sur la façon dont il affecte divers phénomènes astrophysiques".
Il dit que la recherche soulève des questions très intéressantes. « Pouvons-nous libérer temporairement la matière des quarks lors d'une collision de deux étoiles à neutrons ? Peut-on, à un moment donné, espérer observer l’effondrement d’une étoile à neutrons en trou noir si la matière subit une forte transition de phase ? L’interface quark-neutron matière modifie-t-elle la structure interne de l’étoile ?
Dans leurs recherches futures, l’équipe visera à approfondir ces questions fascinantes.
L'étude est décrite dans Communications Nature.
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- La source: https://physicsworld.com/a/evidence-grows-for-deconfined-quark-matter-in-neutron-star-cores/
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