Les étoiles à neutrons sont les cadavres stellaires laissés derrière lorsqu’une étoile massive devient une supernova. Ils sont incroyablement denses: une cuillère à soupe d’étoiles à neutrons placée à la surface de la Terre pèserait à peu près autant que le mont Everest (alors qu’une cuillère à soupe de soleil pèserait aussi peu qu’environ 5 livres).

Et bien que la gamme de masse des étoiles à neutrons ait été relativement bien limitée au fil des ans, il a été plus difficile de déterminer avec précision leur largeur. La plupart des astronomes, cependant, pensent que la masse est emballée dans une sphère à peu près aussi grande qu’une ville.

Maintenant, une nouvelle étude a combiné des mesures d’ondes gravitationnelles avec d’autres techniques pour placer les meilleures contraintes à ce jour sur leur taille. L’estimation suggère qu’une étoile à neutrons typique mesure environ 13,7 milles de diamètre. Cette taille a des implications intéressantes sur ce qui se passe lorsqu’ils s’approchent trop d’un autre des objets les plus mystérieux du cosmos: les trous noirs. Les nouveaux résultats de taille indiquent qu’un trou noir peut avaler une étoile à neutrons entière dans de nombreuses circonstances — laissant derrière lui peu de preuves que les astronomes terrestres peuvent découvrir avec des télescopes conventionnels.

Comment se forment les étoiles à neutrons

Les étoiles massives explosent lorsqu’elles épuisent leurs gaz utilisés pour la fusion nucléaire. Alors qu’une violente explosion de matière éclate dans toutes les directions, ce qui reste se condense en une étoile à neutrons. Si une étoile est suffisamment massive, le reste peut se condenser en un trou noir.

Mais les étoiles solitaires comme notre soleil sont minoritaires dans notre univers. La plupart des étoiles existent dans plusieurs systèmes. Et lorsque deux grandes étoiles évoluent côte à côte, ces systèmes solaires extraterrestres peuvent se terminer par deux étoiles à neutrons, deux trous noirs ou un de chacun. Ces dernières années, les astronomes ont commencé à détecter ces systèmes grâce aux ondes gravitationnelles projetées lorsqu’elles s’entrechoquent les unes dans les autres. C’est ainsi que des astronomes ont récemment effectué une mesure extrêmement précise de la taille d’une étoile à neutrons.

En 2017, l’Observatoire d’ondes gravitationnelles à Interféromètre Laser (LIGO) aux États-Unis et le détecteur Virgo en Italie ont capté un signal d’ondes gravitationnelles qui impliquait que deux étoiles à neutrons étaient entrées en collision à quelque 120 millions d’années-lumière. Peu de temps après, les observatoires traditionnels ont commencé à voir la collision dans les longueurs d’onde électromagnétiques. Ces détections ont permis d’obtenir des informations sans précédent sur la masse et la rotation des objets.

Taille des étoiles à neutrons

Une équipe dirigée par des chercheurs de l’Albert Einstein Institute (AEI) en Allemagne a pris ces observations et les a ensuite combinées avec des modèles du comportement des particules subatomiques dans les conditions extrêmement denses à l’intérieur des étoiles à neutrons. Bien qu’il soit impossible de recréer de telles conditions dans des laboratoires sur Terre, les physiciens ont montré qu’ils pouvaient utiliser la théorie existante pour extrapoler leurs calculs des plus petites échelles à ce qui se passe dans les étoiles à neutrons lointaines.

Leurs résultats suggèrent que les étoiles à neutrons doivent avoir entre 13 et 15 milles de diamètre. Et une étoile à neutrons typique devrait avoir environ 13,7 milles de large. Les estimations imposent des contraintes plus strictes sur la taille des étoiles à neutrons que les études précédentes.

« Les étoiles à neutrons contiennent la matière la plus dense de l’univers observable”, a déclaré Collin Capano, chercheur à l’AEI et auteur de l’étude, dans un communiqué de presse. « En fait, ils sont si denses et compacts que vous pouvez considérer l’étoile entière comme un seul noyau atomique, à l’échelle d’une ville. En mesurant les propriétés de ces objets, nous apprenons la physique fondamentale qui régit la matière au niveau subatomique. »

Avalé par un Trou noir

Ce petit diamètre est suffisamment petit pour qu’une étoile à neutrons orbitant en tandem avec un trou noir puisse même être avalée entièrement lorsqu’elle se rapproche trop. Les astronomes surveillent avec impatience les collisions trou noir-étoile à neutrons. Ils s’attendaient à ce que ces fusions émettent un fort rayonnement électromagnétique — le type de lumière visible par des observatoires typiques sur Terre.

Cependant, si l’étoile à neutrons n’est pas déchiquetée lorsque les deux fusionnent, aucune lumière ne serait émise que les télescopes terrestres pourraient détecter, selon la nouvelle étude. Dans le même temps, les détecteurs d’ondes gravitationnelles ne seraient probablement pas en mesure de faire la différence entre la fusion de trous noirs et une fusion mixte.

« Nous avons montré que dans presque tous les cas, l’étoile à neutrons ne sera pas déchirée par le trou noir et plutôt avalée entière”, a déclaré Capano.  » Ce n’est que lorsque le trou noir est très petit ou tourne rapidement qu’il peut perturber l’étoile à neutrons avant de l’avaler; et ce n’est qu’alors que nous pouvons nous attendre à voir autre chose que des ondes gravitationnelles. »

Les astronomes ne devraient pas avoir à attendre trop longtemps pour savoir si cette idée est juste. Les détecteurs gravitationnels du monde deviendront de plus en plus puissants dans les années à venir. Si les collisions étoile-trou noir à neutrons s’avèrent plus rares que prévu, au moins ils sauront pourquoi.

Les résultats ont été publiés le 9 mars dans la revue Nature Astronomy.