image: Deep in the crusts of neutron stars, where matter is a trillion times denser than anything on earth, nuclear matter undergoes a phase transition. At depths of approximately one kilometer, directly above the neutron star core, nuclei start to touch. They rearrange and form exotic shapes, such as planar "lasagna" and cylindrical "spaghetti," which have been whimsically named "nuclear pasta." view more
Credit: Matthew Caplan
Une équipe de scientifiques qui a calculé la résistance de la matière contenue dans la croûte des étoiles à neutrons constate quelle constitue la substance connue la plus dure de lUnivers.
Matthew Caplan, boursier postdoctoral à lUniversité McGill, et ses collègues de lUniversité de lIndiana et de lInstitut 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 dastrophysique, elle nest néanmoins pas bien comprise », dit M. Caplan.
Une étoile à neutrons naît dune 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 ». Limmense gravité de létoile à neutrons fait geler ses couches extérieures, ce qui lui donne une composition semblable à celle de la Terre, soit un centre liquide enveloppé dune mince croûte.
La densité élevée de létoile 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 sorganiser en longs cylindres ou en feuilles planes, souvent appelés « spaghettis » ou « lasagnes » par les scientifiques, doù lappellation « pâtes nucléaires ». Cest 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 2 millions dheures de temps machine, ou léquivalent de 250 années 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 cur 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, ont été acceptées pour publication dans la revue Physical Review Letters, pourraient améliorer la compréhension des ondes gravitationnelles comme celles détectées lan dernier quand deux étoiles à neutrons sont entrées en collision. Elles donnent même à penser quune 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 lextrême. Comprendre les propriétés physiques dune étoile à neutrons permet à des scientifiques de mettre à lépreuve 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 quelle ne sécroule lorsque la croûte se brise? À quoi ressemblerait cet événement? Et surtout, comment des astronomes pourraient-ils lobserver? »
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Les travaux ont été financés par Linstitut canadien dastrophysique théorique, lInstitut spatial de McGill, le National Science Foundation et le US Department of Energy. Lutilisation du superordinateur a été rendu possible grâce à lUniversité de lIndiana.
« 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.
Journal
Physical Review Letters