Pâtes Nucléaires dans les Étoiles à neutrons

Titre: Science astromatérielle et Pâtes Nucléaires

Auteurs: M. E. Caplan, C. J. Horowitz

Institution du premier auteur: Université de l’Indiana, États-Unis

Statut: arXiv.org , open access

À l’intérieur d’une étoile à neutrons

Les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses de l’univers. Naturellement, la matière à l’intérieur d’eux est exotique et ne ressemble à rien sur Terre — imaginez écraser la masse de notre Soleil en une étoile de seulement 10 km de diamètre! Comme on peut le deviner d’après leur nom, les étoiles à neutrons sont composées principalement de neutrons, une petite fraction d’électrons et de protons contribuant également à leur masse. Une étoile à neutrons peut être considérée comme analogue à un noyau atomique géant, lié par des forces gravitationnelles plutôt que par la force forte. Sous la pression exercée par la gravité, la matière est comprimée à la même densité que les noyaux des atomes; les propriétés de la matière à haute densité dans les étoiles à neutrons sont discutées dans cette morsure.

Maintenant, visualisons la descente à travers la croûte d’une étoile à neutrons. La figure 1 fournit un schéma des couches stratifiées que nous rencontrons lors de notre descente. Dans la croûte externe, les neutrons se combinent en noyaux qui forment un réseau solide. À mesure que nous descendons plus profondément dans la croûte, les noyaux deviennent de plus en plus géants et riches en neutrons. Au-delà d’une certaine taille, les neutrons commencent à déborder des noyaux et à s’égoutter, formant un océan de neutrons libres dans lequel le réseau des noyaux est immergé. Cela signifie notre transition dans la croûte interne. Ici, à la base de la croûte (ou « manteau »), nous découvrons les structures nucléaires complexes qui concernent le papier d’aujourd’hui. Habituellement, nous nous attendons à ce que les noyaux soient sphériques, mais ici, les noyaux se déforment et fusionnent, formant des amas de formes exotiques appelées « pâtes nucléaires ». Au-delà de ce point, nous entrons dans le noyau de l’étoile où nous trouvons de la matière nucléaire uniforme: un superfluide neutronique (une substance qui circule sans frottement) coexiste avec un supraconducteur à protons (un matériau qui conduit l’électricité sans résistance).

Figure 1 : (a) Structure d’une étoile à neutrons. Les symboles N, n, p, e, μ correspondent respectivement aux noyaux, aux neutrons fluides et aux protons, aux électrons et aux muons. b) Composition de la croûte interne d’une étoile à neutrons. Source: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

Pâtes nucléaires

Dans les conditions extrêmes de haute densité à l’intérieur d’une étoile à neutrons, la compétition entre l’attraction nucléaire et la répulsion de Coulomb donne des structures exotiques appelées pâtes nucléaires. Ravenhall, Pethick et Wilson furent les premiers à étudier ces configurations inhabituelles de matière nucléaire. Les pâtes nucléaires se caractérisent par des motifs complexes et non sphériques tels que des tubes, des feuilles et des bulles; ces configurations minimisent leur énergie (voir Figure 2). Le nom de « pâtes nucléaires » est dû à une ressemblance avec différentes variétés de pâtes — telles que les lasagnes, les gnocchis et les spaghettis!

Actuellement, notre compréhension des pâtes nucléaires dans les étoiles à neutrons repose en grande partie sur des calculs théoriques. Cependant, il existe des preuves d’observation qui soutiennent l’existence de pâtes nucléaires dans la croûte. Par exemple, Pons, Vigano et Rea postulent que la phase de pâtes limite la période de spin maximale des étoiles à neutrons en rotation (pulsars). Ils suggèrent que l’absence de pulsars de rayons X isolés avec des périodes de spin supérieures à 12 secondes peut être une preuve observationnelle de pâtes nucléaires. La recherche de signatures observationnelles de la couche de pâtes nucléaires est un sujet de recherche d’un grand intérêt.

Figure 2 : Exemples de différentes phases de pâtes nucléaires. Figure 3 en papier.

Résultats

Dans cet article, les auteurs effectuent des simulations de dynamique moléculaire semi-classiques des pâtes nucléaires. L’approche semi-classique est justifiée parce que les comportements pertinents impliquent des amas de milliers de nucléons et que ces amas lourds peuvent être traités de manière classique. Les effets quantiques présents à plus petites échelles sont mis à la main à travers les paramètres du modèle semi-classique.

Les auteurs modélisent la géométrie et la topologie des structures de pâtes complexes illustrées à la figure 2 et extraient les propriétés utiles du matériau, telles que la conductivité thermique et électrique. Les auteurs discutent de la façon dont la présence d’une couche de pâtes à la base de la croûte des étoiles à neutrons pourrait influencer les observations de phénomènes astrophysiques tels que les neutrinos de supernova, la désintégration du champ magnétique et le refroidissement de la croûte des étoiles à neutrons en accrétion.

Ci-dessus, nous avons discuté de l’article écrit par Pons et al. dans lesquelles les phases de pâtes nucléaires devraient contenir des impuretés. Les impuretés provoquent la désintégration du champ magnétique de l’étoile à neutrons sur une période de 0,1 à 1 Myr, ce qui correspond à la population observée de pulsars de rayons X isolés ayant des périodes de spin inférieures à 12 secondes. Les simulations de dynamique moléculaire dans l’article d’aujourd’hui fournissent des preuves à l’appui de l’hypothèse de Pon selon laquelle les pâtes ont un paramètre d’impureté élevé. Par conséquent, une autre pièce du puzzle s’emboîte et nous avons encore plus de raisons de croire que des pâtes nucléaires existent à l’intérieur des étoiles à neutrons.

  • À propos de l’Auteur

À propos de Lisa Drummond

Je suis une doctorante en astrophysique qui s’intéresse aux objets compacts et aux ondes gravitationnelles. J’ai étudié les intérieurs d’étoiles à neutrons pour ma thèse de maîtrise à l’Université de Melbourne, en Australie et maintenant je fais mon doctorat au MIT.

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