Multi-messenger and multi-band signal from first-order phase transitions in proto-neutron stars

Au plus profond des objets les plus extrêmes de l'univers, la matière est compressée à des densités qui ne peuvent être créées dans aucun laboratoire sur Terre. Ces objets sont des étoiles à neutrons, les vestiges super-denses d'étoiles massives ayant explosé. Pendant des décennies, les physiciens ont débattu de ce qui se trouve au cœur même de ces étoiles. Tandis que les couches externes sont composées de noyaux atomiques familiers, le noyau pourrait être si comprimé que les protons et les neutrons se dissolvent en une soupe de leurs constituants, appelés quarks. Ce passage de la matière nucléaire ordinaire à un noyau de quarks est appelé une transition de phase, semblable à la façon dont l'eau se transforme en glace, mais se produisant sous des conditions de pression et de gravité immenses. Comprendre si cela se produit, et comment, est crucial car cela révélerait les règles fondamentales régissant la manière dont la matière se comporte lorsqu'elle est pressée à sa limite absolue.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs en Allemagne et en Irlande explore ce qui se passerait si une telle transition se produisait à l'intérieur d'une étoile à neutrons jeune et chaude, appelée proto-étoile à neutrons. Ces étoiles naissent dans les suites violentes d'une explosion de supernova et continuent de se refroidir tout en absorbant davantage de matière provenant de leur environnement. Les chercheurs ont étudié un scénario spécifique où le cœur de l'étoile change soudainement de la matière normale à la matière de quarks. Ils ont découvert que cet événement ne serait pas seulement un changement interne discret ; il déclencherait un signal spectaculaire en deux parties qui pourrait être détecté par de futurs instruments. L'événement enverrait des ondulations dans l'espace-temps, connues sous le nom d'ondes gravitationnelles, à deux vitesses très différentes simultanément, tout en libérant également une bouffée de particules fantomatiques appelées neutrinos.

Les chercheurs ont construit une collection massive de modèles informatiques pour simuler ce processus. Au lieu de deviner une réponse unique sur le comportement de la matière, ils ont créé des milliers de versions possibles de la structure interne de l'étoile à neutrons, toutes cohérentes avec les lois connues de la physique et les observations d'étoiles réelles. Ils ont ensuite observé comment ces étoiles simulées évoluaient à mesure qu'elles accumulaient de la masse. Dans beaucoup de ces modèles, le poids ajouté finit par pousser le cœur au-delà d'un point de bascule, forçant la conversion soudaine en matière de quarks. L'équipe a calculé exactement quel type de signal cette conversion produirait. Ils ont découvert que l'événement crée deux types distincts d'ondes gravitationnelles. Le premier est un grondement à basse fréquence, dans la gamme des kilohertz, causé par l'ajustement de la forme entière de l'étoile alors que son cœur rétrécit et devient plus dense. Le second est une bouffée à fréquence beaucoup plus élevée, dans la gamme des mégahertz, causée par la collision microscopique de minuscules bulles de la nouvelle matière de quarks lors de leur formation et de leur expansion à travers l'étoile.

Ces deux signaux sont liés d'une manière qui pourrait aider les scientifiques à décoder la physique de la transition. L'onde à basse fréquence nous renseigne sur la taille globale et la structure de l'étoile, tandis que la bouffée à haute fréquence révèle des détails sur le processus microscopique de la formation et de la collision des bulles. L'étude montre que si nous pouvions détecter les deux signaux d'un même événement, nous pourrions utiliser l'information de l'onde à basse fréquence pour restreindre les possibilités pour celle à haute fréquence. Cela permettrait de mesurer des propriétés actuellement impossibles à déterminer, telles que la tension superficielle de la frontière entre les deux types de matière. Les chercheurs ont également découvert que cet événement serait accompagné d'une seconde bouffée de neutrinos, arrivant quelques centaines de millisecondes à un couple de secondes après l'explosion initiale. Ce délai est déterminé par le temps nécessaire à l'étoile pour accumuler suffisamment de masse afin de déclencher la transition.

Les conclusions suggèrent que l'interception de ce signal multi-messager constituerait une avancée majeure. Bien que les détecteurs d'ondes gravitationnelles actuels soient assez sensibles pour entendre le grondement à basse fréquence, ils ne sont pas encore capables d'entendre la bouffée à haute fréquence de l'ordre du mégahertz. Cependant, l'étude souligne que la prochaine génération de détecteurs, qui est actuellement en cours de planification, pourrait potentiellement entendre les deux. Si un futur observatoire détecte l'onde à basse fréquence et qu'un instrument spécialisé à haute fréquence capte la bouffée simultanée à haute fréquence, ainsi que le signal de neutrinos retardé, cela fournirait une image complète de la transition de phase. Cela confirmerait que la matière de quarks existe dans les cœurs des étoiles à neutrons et nous donnerait notre premier regard direct sur la manière dont la matière se comporte dans les conditions les plus extrêmes du cosmos. La recherche ne prétend pas avoir encore trouvé ce signal, mais elle fournit une feuille de route claire sur ce qu'il faut chercher et comment l'interpréter lorsque la technologie sera à la hauteur.