Modélisations et simulations apportent un nouvel éclairage sur la matière extrêmement dense des noyaux des étoiles à neutrons
Ces états de la matière sont à l’origine de champs magnétiques extrêmement puissants, et contiennent à la fois des superfluides et des supraconducteurs. Dans leurs noyaux, la densité est si élevée que des états exotiques de la matière sont susceptibles d’apparaître. «Les états possibles ne sont pas encore bien compris du point de vue théorique, et les étoiles à neutrons constituent des sources stables que nous pouvons observer pour en savoir plus sur la physique associée à ces densités extrêmes», déclare Yuri Cavecchi, titulaire d’une bourse Marie Skłodowska-Curie, qui a dirigé le projet Burst3D financé par l’UE. Les étoiles à neutrons des systèmes binaires émettent des flashs de rayons X extrêmement brillants appelés sursauts de type I. Lorsque la matière de l’étoile compagnon atterrit sur l’étoile à neutrons en raison des puissantes forces de gravitation, elle est comprimée à une pression extrêmement élevée et explose littéralement, en émettant de violents flashs de rayons X. «L’évolution temporelle de l’intensité de ces flashs donne des informations sur le noyau de l’étoile à neutrons grâce aux effets de la relativité générale», explique Yuri Cavecchi. «Il nous faut toutefois être capables de modéliser l’évolution de la combustion et de la température de la surface afin de pouvoir complètement extraire les informations que nous recherchons.»
Des simulations inédites des sursauts
Les chercheurs ont effectué des simulations informatiques des sursauts de type I qui se produisent sur des étoiles à neutrons. Le résultat le plus important de ces simulations concerne le rôle des instabilités à l’avant de la flamme de combustion. «Lorsque la flamme se propage à la surface, des vents puissants se développent au niveau du front où les fluides chauds et froids sont en contact», remarque Yuri Cavecchi. «Cette configuration est très instable et brise le front en tourbillons séparés et plus petits, semblables à des ouragans de feu.» Il y a deux conséquences directes, selon Yuri Cavecchi: «Premièrement, ces tourbillons se déplacent en avant du front de flamme, ce qui entraîne une propagation beaucoup plus rapide, susceptible d’expliquer la croissance fulgurante des flashs lors des sursauts. Deuxièmement, ces mêmes tourbillons génèrent un profil d’émission asymétrique qui pourrait potentiellement expliquer les caractéristiques observées sur le plan de l’évolution temporelle de l’intensité des flashs, ces dernières s’avérant cruciales pour comprendre la nature de la matière située au cœur des étoiles à neutrons.» Les tourbillons pourraient être directement à l’origine de ces caractéristiques, ou provoquer des vagues dans l’océan ardent de l’étoile, se traduisant par ces signatures.
Concilier la théorie et les observations
Les analyses ont montré comment concilier la théorie de la combustion nucléaire avec la fréquence d’amorçage observée des sursauts de type I, et comment faire le lien entre les observations et les paramètres de combustion. «Du point de vue observationnel, différentes sources ont remis en question notre compréhension théorique de la combustion nucléaire et de son déclenchement», note Yuri Cavecchi. «Contre-intuitivement, alors qu’il y a de plus en plus de matière s’accumulant à leur surface, les explosions dont certaines de ces sources sont le théâtre se produisent par rafales de moins en moins fréquentes.» Les calculs analytiques ont pris en compte les effets de différentes conditions à la surface de l’étoile ainsi que le rôle du mélange des nouveaux matériaux avec les résidus des sursauts précédents. «Burst3D a apporté des réponses aux questions ouvertes sur la phénoménologie des sursauts, ouvrant ainsi la voie à l’exploitation des observations effectuées dans le domaine des rayons X pour l’étude du comportement de la matière ultra-dense dans les noyaux des étoiles à neutrons», conclut Nils Andersson, coordinateur du projet et professeur de mathématiques appliquées à l’université de Southampton.
Mots‑clés
Burst3D, matière ultra-dense, étoiles à neutrons, sursauts de type I, flashs de rayons X, combustion nucléaire