dimanche 28 octobre 2018

Des étoiles à neutrons hybrides avec un cœur de plasma quarks-gluons


Comment expliquer l'existence d'étoiles à neutrons ayant une masse de près de 2 masses solaires ? Les modèles théoriques indiquent pourtant que les étoiles les plus massives (jusqu'à 40 masses solaires) peuvent produire, en explosant en supernova, des étoiles à neutrons d'au maximum 1,7 masses solaires, et au-delà de 40 masses solaires, c'est un trou noir qui serait produit. Pour faire face à cette question jusqu'ici sans réponse, une équipe de physiciens et d'astrophysiciens théoriciens vient de trouver une solution : la création d'étoiles à neutrons hybrides possédant un cœur de plasma quarks-gluons.




Tobias Fischer (Université de Wrocław, Pologne) et ses collaborateurs ont étudié les processus d'explosion de supernovas par effondrement de coeur d'étoiles particulièrement massives qu'on appelle des supergéantes bleues, ayant une masse de 50 masses solaires. Leurs simulations numériques prennent en compte pour la première fois le phénomène de transition de phase entre matière hadronique et plasma quark-gluons, lorsque la densité est si extrême au coeur de la proto-étoile à neutrons que le fluide neutronique qui vient de naître par la fusion des protons et des électrons, se met à son tour à se déliter dans ses constituants élémentaires : les quarks up et down et une kyrielle de gluons, qui forment alors un plasma, le plasma quarks-gluons.
Le point crucial dans ce processus, c'est que cette transition de phase entre matière neutronique et plasma quarks-gluons est exothermique : elle libère une grande quantité d'énergie. Fischer et ses collègues montrent que cette quantité d'énergie qui est libérée par l'apparition du plasma de quarks-gluons au coeur de la proto-étoile à neutrons forme une seconde onde de choc hydrodynamique dans ce qui reste de l'étoile en train de mourir. C'est même cette seconde onde de choc qui va produire l'explosion en supernova. Les modèles précédents décrivant l'effondrement gravitationnel d'étoiles de 50 masses solaires arrivaient à ce qu'on appelait des "supernovas ratées", où un trou noir est très vite produit sans qu'il n'y ait d'ondes de chocs et donc d'explosion de l'enveloppe stellaire. 

Tobias Fischer et ses collaborateurs montrent également que si ce processus a bien lieu dans les étoiles massives, il pourrait être détecté grâce à l'émission de neutrinos qui l'accompagne. Toute supernova de type II, dans laquelle le coeur s'effondre sur-lui-même pour former une étoile à neutrons, produit une bouffée de neutrinos électroniques, au moment où les protons et les électrons fusionnent en produisant des neutrons. La première onde de choc se produit alors dans le reste de l'enveloppe stellaire. Mais les théoriciens montrent que lorsque les neutrons se décomposent en quarks et gluons, seulement environ une seconde après et sur une durée de l'ordre de la milliseconde, la nouvelle onde de choc qui est induite se propage dans la sphère de neutrinos qui étaient encore présents (des traînards ayant subis plusieurs diffusions dans le milieu dense) et a pour effet de créer une seconde bouffée de neutrinos.
Il serait donc possible, selon les chercheurs, de détecter l'apparition d'une étoile à neutrons hybride contenant un plasma de quarks-gluons dans son coeur lors de l'explosion d'une étoile très massive. La signature serait deux bouffées de neutrinos, séparées par une durée caractéristique. Et l'écart temporel séparant ces deux bouffées devrait fournir des informations cruciales sur la transition de phase neutrons-quarks. La durée de la seconde bouffée serait quant à elle porteuse d'informations sur l'énergie dispersée par la seconde onde de choc.
Dans leur étude que publie cette semaine Nature Astronomy, Fischer et ses collègues insistent sur le fait que l'apparition de la transition de phase neutrons-quarks dépend fortement de la compacité du coeur de l'étoile progénitrice qui s'effondre : ce dernier ne doit pas être trop dense au départ, car il produirait une accrétion et un gain de masse trop rapides qui empêcheraient la transition de phase. La masse limite de 2,1 masses solaires serait dépassée trop vite, et la proto-étoile à neutrons s'effondrerait en trou noir avant d'avoir pu produire son plasma de quarks-gluons.
Les chercheurs parviennent ainsi à produire des étoiles à neutrons hybrides contenant un plasma de quarks à partir d'étoiles progénitrices de masse comprise entre 12 masses solaires et 50 masses solaires; ces étoiles à neutrons ont le point commun d'avoir une masse supérieure à 1,7 masses solaires. A l'inverse, des étoiles à neutrons ayant une masse inférieure ou égale à 1,56 masses solaires ne peuvent pas générer une densité suffisante dans leur coeur pour produire un plasma de quarks-gluons, selon les physiciens. 

Tobias Fischer et ses collègues viennent ainsi de fournir une solution pour expliquer l'existence a priori incongrue de la fraction d'environ 20% d'étoiles à neutrons de masse supérieure à 1,8 masses solaires. Reste à vérifier cette solution théorique par l'observation d'une supernova à effondrement de coeur à proximité de la Terre, ce qui n'est peut-être pas pour demain, malheureusement. 


Source

Quark deconfinement as a supernova explosion engine for massive blue supergiant stars
Tobias Fischer, Niels-Uwe F. Bastian, Meng-Ru Wu, Petr Baklanov, Elena Sorokina, Sergei Blinnikov, Stefan Typel, Thomas Klähn & David B. Blaschke
Nature Astronomy (22 october 2018)


Illustration 

Diagramme de phase de QCD montrant la transition entre hadrons et plasma de quarks-gluons (BNL/RHIC)