L'observatoire de rayons X Chandra de la NASA a découvert la première preuve directe d'un superfluide, un état de matière bizarre et sans frottement, au cœur d'une étoile à neutrons.
L'image ci-dessus, publiée aujourd'hui, montre des rayons X de Chandra (rouge, vert et bleu) et des données optiques de Hubble (or) de Cassiopeia A, les restes d'une étoile massive qui a explosé dans une supernova. La preuve du superfluide a été trouvée dans le noyau dense de l'étoile laissée derrière, une soi-disant étoile à neutrons. L'illustration de l'artiste dans l'encart montre une découpe de l'intérieur de l'étoile à neutrons, où les densités augmentent de la croûte orange au noyau rouge et enfin à la boule rouge intérieure, la région où le superfluide existe.
Les superfluides créés dans les laboratoires sur Terre présentent des propriétés remarquables, telles que la capacité de grimper vers le haut et de s'échapper de récipients hermétiques. Lorsqu'ils sont constitués de particules chargées, les superfluides sont également des supraconducteurs et permettent au courant électrique de circuler sans résistance. De tels matériaux sur Terre ont des applications technologiques répandues comme la production des aimants supraconducteurs utilisés pour l'imagerie par résonance magnétique [IRM].
Deux équipes de recherche indépendantes ont utilisé les données de Chandra pour montrer que l'intérieur d'une étoile à neutrons contient de la matière superfluide et supraconductrice, une conclusion avec des implications importantes pour la compréhension des interactions nucléaires dans la matière aux plus hautes densités connues. Les équipes publient leurs recherches séparément dans les revues Avis mensuels des lettres de la Royal Astronomical Society et Lettres d'examen physique.
Cas A (RA 23h 23m 26.7s | Dec + 58 ° 49 ′ 03.00) se trouve à environ 11 000 années-lumière. Son étoile a explosé il y a environ 330 ans dans le temps de la Terre. Une séquence d'observations de Chandra sur l'étoile à neutrons montre que l'objet désormais compact s'est refroidi d'environ 4% sur une période de dix ans.
"Cette baisse de température, même si elle semble faible, était vraiment dramatique et surprenante à voir", a déclaré Dany Page de l'Université nationale autonome du Mexique, chef de l'une des deux équipes. "Cela signifie que quelque chose d'inhabituel se produit dans cette étoile à neutrons."
Les étoiles à neutrons contiennent la matière connue la plus dense qui soit directement observable; une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèse six milliards de tonnes. La pression dans le cœur de l’étoile est si élevée que la plupart des particules chargées, électrons et protons, fusionnent, ce qui donne une étoile composée principalement de neutrons.
Les nouveaux résultats suggèrent fortement que les protons restants dans le noyau de l’étoile sont dans un état superfluide et, parce qu’ils portent une charge, forment également un supraconducteur.
Les deux équipes montrent que le refroidissement rapide dans le Cas A s'explique par la formation d'un superfluide neutronique dans le cœur de l'étoile à neutrons au cours des 100 dernières années, vu depuis la Terre. Le refroidissement rapide devrait se poursuivre pendant quelques décennies, puis il devrait ralentir.
"Il s’avère que Cas A pourrait être un cadeau de l’univers, car nous devrions attraper une très jeune étoile à neutrons au bon moment", a déclaré la co-auteure de Page, Madappa Prakash, de l’Ohio University. "Parfois, un peu de bonne fortune peut faire beaucoup pour la science."
L'apparition de la superfluidité dans les matériaux sur Terre se produit à des températures extrêmement basses près du zéro absolu, mais dans les étoiles à neutrons, elle peut se produire à des températures proches d'un milliard de degrés Celsius. Jusqu'à présent, il y avait une très grande incertitude dans les estimations de cette température critique. Cette nouvelle recherche limite la température critique entre un demi-milliard et un peu moins d'un milliard de degrés.
Cas A permettra aux chercheurs de tester des modèles de comportement de la force nucléaire forte, qui lie les particules subatomiques, dans la matière ultradense. Ces résultats sont également importants pour comprendre une gamme de comportements dans les étoiles à neutrons, y compris les «pépins», la précession et la pulsation des étoiles à neutrons, les explosions magnétariennes et l'évolution des champs magnétiques des étoiles à neutrons.
Sources: Communiqués de presse de la Royal Astronomical Society et de Harvard. Voir du multimédia supplémentaire sur la page Chandra de la NASA, et les deux études MNRAS et Phys. Rev. Letters.
