Bayesian exploration of weakly interacting models of dark matter admixed neutron stars based on multi-density constraints
Cette étude présente une analyse bayésienne unifiée des modèles de matière noire à portail de Higgs, de désintégration de neutrons et de particules de type axion dans les étoiles à neutrons en utilisant des contraintes de densités multiples, révélant que bien que les modèles produisent des prédictions masse-rayon chevauchantes, le scénario de la désintégration de neutrons est modérément favorisé par les données actuelles malgré l'incapacité à distinguer de manière définitive les mécanismes du secteur sombre des incertitudes liées à l'équation d'état hadronique.
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Les étoiles à neutrons sont les cœurs denses et morts laissés derrière les étoiles massives après une explosion. Elles sont si lourdes qu'une seule cuillère à café de leur matière pèserait des milliards de tonnes sur Terre. À l'intérieur de ces étoiles, la matière est comprimée à un point tel qu'elle se comporte d'une manière que nous ne pouvons pas recréer dans aucun laboratoire. Pendant des décennies, les physiciens ont tenté de comprendre les règles qui régissent cette matière extrême, connue sous le nom d'équation d'état. Cet ensemble de règles décrit comment la pression à l'intérieur de l'étoile change à mesure que la densité augmente, déterminant la taille de l'étoile, son poids maximal possible et sa réaction lorsqu'elle est comprimée par une étoile partenaire. Parallèlement, les astronomes savent que l'univers est rempli de matière noire invisible, qui constitue la majeure partie de la masse du cosmos mais n'émet pas de lumière. Comme les étoiles à neutrons possèdent une gravité aussi intense, elles agissent comme des pièges naturels capables de capturer et de retenir cette matière noire. Si la matière noire existe à l'intérieur d'une étoile à neutrons, elle modifierait la structure interne de l'étoile, la rendant potentiellement plus petite ou modifiant la façon dont elle vibre. La grande question est de savoir si nous pouvons observer les étoiles que nous voyons aujourd'hui et dire si elles cachent un cœur sombre secret, et si oui, quel type de matière noire il pourrait s'agir.
Une équipe de chercheurs a maintenant abordé cette question en menant une analyse statistique massive qui combine nos meilleures connaissances de la physique nucléaire avec les dernières observations de l'espace. Ils se sont concentrés sur trois théories différentes concernant la manière dont la matière noire pourrait interagir avec la matière normale à l'intérieur d'une étoile à neutrons. Dans le premier scénario, les particules de matière noire communiquent avec la matière normale via le champ de Higgs, le même champ qui donne leur masse aux particules. Dans le second, la matière noire est créée lorsque les neutrons à l'intérieur de l'étoile se désintègrent en une particule sombre et un boson léger. Dans le troisième, une particule légère appelée particule de type axion sert de messager entre les mondes sombres et normaux. Les chercheurs n'ont pas seulement examiné une théorie à la fois ; ils ont construit un cadre unifié pour tester ces trois théories par rapport au même ensemble de données réelles. Ces données comprenaient des mesures de la taille et de la masse de quatre pulsars spécifiques captées par le télescope spatial NICER, des informations provenant de la collision de deux étoiles à neutrons détectée par des observatoires d'ondes gravitationnelles, et des contraintes issues d'expériences avec des noyaux atomiques lourds sur Terre.
L'étude a révélé que si les données sont efficaces pour délimiter le comportement de la matière nucléaire normale à l'intérieur de l'étoile, elles peinent à identifier exactement quel type de matière noire est présent. Les chercheurs ont été capables de préciser les propriétés de la matière nucléaire, comme sa rigidité ou sa souplesse sous la pression, mais les chiffres spécifiques décrivant la matière noire sont restés larges et incertains. Cela s'explique par le fait que les différentes théories de la matière noire peuvent produire des résultats très similaires pour la taille et le poids globaux de l'étoile. Par exemple, les trois modèles prédisaient que l'étoile à neutrons la plus lourde pèserait environ 2,1 fois la masse de notre Soleil, et les rayons des étoiles se chevauchaient de manière significative. Les données n'ont pas pu exclure clairement l'un des trois scénarios, ni confirmer que la matière noire est définitivement présente. Les chercheurs ont constaté que la présence de matière noire tend à rendre l'étoile légèrement plus compacte, mais l'effet est suffisamment subtil pour pouvoir être imité par des changements dans les propriétés de la matière normale.
Cependant, l'étude a révélé une différence distincte dans la façon dont les étoiles vibreraient si elles étaient frappées, un phénomène connu sous le nom d'astérosismologie. Les chercheurs ont calculé la fréquence du mode de vibration fondamentale de l'étoile, ce qui est comparable à la hauteur d'une cloche, ainsi que la rapidité avec laquelle ce son s'estomperait. Ils ont découvert que les étoiles contenant de la matière noire issue du modèle du portail de Higgs vibreraient à une hauteur légèrement plus élevée et s'atténueraient plus vite que celles contenant de la matière noire des deux autres modèles. Bien que la différence soit faible et que les plages de valeurs possibles se chevauchent encore, cela suggère que les futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles, qui seront assez sensibles pour entendre ces vibrations, pourraient éventuellement permettre de distinguer les théories entre elles. Actuellement, les données ne sont pas assez précises pour faire cette distinction, mais la voie à suivre est claire.
Lorsque les chercheurs ont comparé les trois modèles à fluide unique les uns aux autres et par rapport à d'autres théories où la matière noire et la matière normale forment des couches séparées, ils ont trouvé une légère préférence statistique pour le scénario de la désintégration des neutrons. Ce modèle était le plus cohérent avec l'ensemble des données, suivi de près par le modèle de la particule de type axion. Le modèle du portail de Higgs et les théories où les deux types de matière restent séparés étaient légèrement moins favorisés, bien que les différences ne soient pas assez importantes pour constituer une victoire définitive pour une théorie unique. L'étude conclut que, bien que nous ayons progressé dans la compréhension des limites de ces modèles, nous ne sommes pas encore prêts à déclarer un vainqueur. L'incertitude sur le comportement de la matière nucléaire normale reste le plus grand obstacle. Pour résoudre le mystère de la matière noire dans les étoiles à neutrons, les scientifiques auront besoin de meilleures mesures de la taille et de la masse des étoiles, de données plus précises issues des expériences nucléaires, et de la capacité d'écouter les vibrations de haute fréquence et de faible intensité de ces géants cosmiques. D'ici là, le cœur sombre de l'étoile à neutrons demeure une possibilité fascinante, mais une possibilité que les données actuelles ne peuvent pas encore pleinement révéler.
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