Les « pâtes nucléaires », la substance connue la plus dure de l’Univers

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Des simulations informatiques d’étoiles à neutrons pourraient améliorer la compréhension des ondes gravitationnelles

Une équipe de scientifiques qui a calculé la résistance de la matière contenue dans la croûte des étoiles à neutrons constate qu’elle constitue la substance connue la plus dure de l’Univers.

Matthew Caplan, boursier postdoctoral à l’Université McGill, et ses collègues de l’Université de l’Indiana et de l’Institut de technologie de Californie ont réalisé les plus longues simulations informatiques jamais menées sur la croute des étoiles à neutrons, devenant ainsi les premiers à décrire la manière dont leur croûte se brise.

« Si la résistance de la croûte des étoiles à neutrons, et de sa couche inférieure en particulier, est importante dans un grand nombre de problèmes d’astrophysique, elle n’est néanmoins pas bien comprise », dit M.Caplan.

Une étoile à neutrons naît d’une supernova, une implosion qui comprime un objet de la taille du soleil en un objet de la taille de Montréal environ, ce qui le rend « cent billions de fois plus dense que quoi que ce soit sur Terre ». L’immense gravité de l’étoile à neutrons fait geler ses couches extérieures, ce qui lui donne une composition semblable à celle de la Terre, soit un centre liquide enveloppé d’une mince croûte.

La densité élevée de l’étoile à neutrons confère une structure particulière à la matière qui la compose. Sous la croûte, les forces concurrentes entre protons et neutrons conduisent ceux-ci à s’organiser en longs cylindres ou en feuilles planes, souvent appelés « spaghettis » ou « lasagnes » par les scientifiques, d’où l’appellation « pâtes nucléaires ». C’est la combinaison de leur extraordinaire densité et de leurs étranges configurations qui explique la formidable dureté des pâtes nucléaires.

Grâce à des simulations par ordinateur qui ont nécessité 2millions d’heures de temps machine, ou l’équivalent de 250années de travail sur un portable avec une unité de traitement graphique, M.Caplan et ses collègues sont parvenus à étirer et à déformer la matière située au cœur de la croûte des étoiles à neutrons.

« Nos résultats sont précieux pour les astronomes qui étudient ces étoiles. Leur couche extérieure est la partie que nous observons, et nous devons mieux la comprendre pour pouvoir interpréter les observations astronomiques. »

Les conclusions des chercheurs, acceptées pour publications dans la revue Physical Review Letters, pourraient améliorer la compréhension des ondes gravitationnelles comme celles détectées l’an dernier quand deux étoiles à neutrons sont entrées en collision. Elles donnent même à penser qu’une étoile à neutrons isolée pourrait générer de petites ondes gravitationnelles.

« Nous avons ici affaire à nombre de phénomènes intéressants qui relèvent de la physique de l’extrême. Comprendre les propriétés physiques d’une étoile à neutrons permet à des scientifiques de mettre à l’épreuve leurs théories et leurs modèles, ajoute M.Caplan. De nombreux problèmes devront être réexaminés à la lumière de nos résultats. De quelle taille une montagne pourrait-elle être avant qu’elle ne s’écroule lorsque la croûte se brise? À quoi ressemblerait cet événement? Et surtout, comment des astronomes pourraient-ils l’observer? »

 

Les travaux ont été financés par L’institut canadien d’astrophysique théorique, l’Institut spatial de McGill, le National Science Foundation et le US Department of Energy. L’utilisation du superordinateur a été rendu possible grâce à l’Université de l’Indiana.

« The Elasticity of Nuclear Pasta », des auteurs M.E.Caplan, A.S.Schneider et C.J.Horowitz, a été accepté pour publication dans la revue Physical Review Letters.

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