mardi 23 octobre 2018

Mesure du rayon des étoiles à neutrons impliquées dans GW170817 : 11,9 km chacune.


La fusion de deux étoiles à neutrons le 17 août 2017 a été une occasion incroyable pour les astrophysiciens pour comprendre de nombreux phénomènes, à commencer par les phénomènes qu'on appelle les kilonovas et les GRB courts ou encore la naissance d'un trou noir signant sa présence par un jet de matière et de rayonnement. Mais cette collision de deux étoiles à neutrons a aussi été une occasion en or pour mieux comprendre les étoiles à neutrons elles-mêmes.



La grande collaboration de physiciens exploitant les interféromètres LIGO et Virgo, actuellement en réfection pour améliorer encore leur sensibilité, ont travaillé à nouveau sur les données de l'événement GW 170817, cette fois-ci pour en déduire des paramètres cruciaux sur les étoiles à neutrons, parmi ceux-ci la taille de ces astres extrêmes (leur rayon), et leur équation d'état (l'équation qui relie la densité et la pression à l'intérieur des étoiles à neutrons et qui est encore si mal connue). 
En mai 2018, les chercheurs de la collaboration avaient évalué la masse de chacune des deux étoiles à neutrons à l'origine de GW 170817 et avaient trouvé une asymétrie entre les deux : la plus gosse devait faire entre 1,36 et 1,60 masses solaires et la plus petite devait peser entre 1,16 et 1,36 masses solaires. Aujourd'hui, ils s'intéressent à un autre paramètre fondamental qu'est le rayon de ces deux étoiles à neutrons, sachant qu'au mois d’août dernier, une autre équipe avait estimé le rayon probable à partir de la déformabilité par effet de marée qu'ils avaient pu déduire des données électromagnétiques et gravitationnelles du 17 août 2017. De Soumi et ses collègues avaient alors trouvé une valeur moyenne pour le rayon de 10,8 km.  


Les physiciens de LIGO/Virgo ont effectué leurs propres calculs pour le rayon de chacune des deux étoiles à neutrons et en profitent également pour calculer une équation d'état pour les étoiles à neutrons. Cette équation d'état peut être inférée grâce à la forte distorsion de la forme des étoiles à neutrons qui a eu lieu au moment de l'événement de fusion. Et cette déformation dépend aussi étroitement de la dimension de chacune des deux composantes. Comme cette distorsion affecte directement l'amplitude et la fréquence des ondes gravitationnelles émises, elle peut être estimée à partir de l'analyse fine de la forme de ces ondes gravitationnelles.  
Les physiciens ne font que trois hypothèses : 1) les deux objets qui ont fusionné étaient deux étoiles à neutrons, 2) ces deux étoiles à neutrons ont la même équation d'état, et 3) les deux étoiles à neutrons avaient une vitesse de rotation conforme à ce qui est connu dans d'autres systèmes binaires d'étoiles à neutrons. Ils ont tout d'abord calculé les rayons des deux étoiles à neutrons avec une méthode quasi indépendante de l'équation d'état. Ils obtiennent des valeurs respectives très proches : 10,8 km et 10,7 km, avec une incertitude de l'ordre de 20%, qui reste un peu élevée, mais des valeurs très proche du résultat de De Soumi et al. d'août dernier. 
Dans un second temps, les chercheurs de LIGO et Virgo ont utilisé une équation d'état qui a été développée il y a quelques années par les physiciens Lee Lindblom and Nathaniel Indik à Caltech qui se sont basés sur l'existence de la plus grosse étoile à neutrons jamais observée (c'était en 2010), qui faisait 1,97 masses solaires. En appliquant cette équation d'état et en calculant à nouveau le rayon des deux étoiles à neutrons, les chercheurs trouvent étonnamment un rayon identique pour les deux : 11,9 km, avec une incertitude réduite à 12% (11,9 ± 1,4 km, donc entre 10,5 km et 13,3 km).

La détection de GW170817 a ouvert de nombreuses portes en astrophysique, et aussi dans l'étude de la matière dans des conditions qui sont totalement inatteignables en laboratoire. Avec le développement et l'amélioration des détecteurs d'ondes gravitationnelles, les observations de fusions d'étoiles à neutrons vont se multiplier à l'avenir et apporteront toujours plus d'informations  sur les propriétés physiques de ces astres extrêmes. De nombreuses questions surgiront à n'en pas douter, ne serait-ce que lorsque les incertitudes statistiques laisseront apparaître les incertitudes systématiques associées aux modèles théoriques eux-mêmes.

Source

GW170817: Measurements of Neutron Star Radii and Equation of State
B. P. Abbott et al. (The LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration)
Physical Review Letters 121, (15 October 2018) 


Illustrations

1) vue d'artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons avec déformations par effet de marée (NASA / AEI / ZIB / M Koppitz and L Rezzolla)

2) Estimation de la relation masse/rayon pour les deux étoiles à neutrons (en rouge et bleu) : à gauhe indépendamment de l'équation, à droite avec la contrainte d'une équation d'état commune (LIGO/Virgo collaboration/Phys. Rev. Lett.)

2 commentaires :

**** a dit…

Bonjour Dr,

info très étonnante, non ? J'aurais -bêtement ?- pensé que plus une étoile à neutrons était massive, plus son rayon était petit (selon le même principe qui régit par exemple les naines blanches) ! Cela vous paraît conforme à la théorie que des étoiles à neutrons de masses notoirement différentes aient un rayon aussi proche, voire équivalent ?

Merci !

Dr Eric SIMON a dit…

leurs masses ne sont pas notoirement différentes, elles sont très proches. Ce qui est étonnant c'est que ce couple était justement constitué d'étoiles à neutrons quasi identiques