Absorption of bound supernova axion-like particles by the neutron star weakens the heating limits on their photon coupling

Au cœur violent d'une étoile en effondrement, une explosion de supernova crée des conditions si extrêmes qu'elles donnent naissance à des particules que nous n'avons jamais vues sur Terre. Parmi ces particules hypothétiques figurent les particules de type axion, des entités minuscules et fantomatiques qui interagissent très faiblement avec la matière ordinaire. Si ces particules existent, elles sont produites en quantités massives à l'intérieur de la jeune étoile à neutrons, le rémanent incroyablement dense laissé derrière elle après l'explosion. Certaines de ces particules sont assez rapides pour échapper à l'étoile et s'envoler dans l'univers, mais d'autres sont plus lentes. Ces particules plus lentes ne peuvent pas échapper à l'attraction gravitationnelle intense de l'étoile à neutrons ; au lieu de cela, elles se retrouvent piégées, orbitant autour de l'étoile dans un vaste nuage invisible. Pendant des décennies, les physiciens se sont demandé si ce nuage piégé pourrait être détecté. L'idée était que, à mesure que ces particules finiraient par se désintégrer, elles se transformeraient en lumière, chauffant la surface de la vieille étoile à neutrons en cours de refroidissement. Si nous pouvions mesurer cette chaleur supplémentaire, nous pourrions enfin prouver l'existence de ces particules.

Cependant, une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Institut National de Technologie de Rourkela, en Inde, a fondamentalement changé ce tableau en montrant que l'étoile elle-même agit comme un aspirateur cosmique. Les chercheurs ont réalisé que les calculs précédents avaient omis un détail critique : bien que les particules piégées orbitent autour de l'étoile, leurs trajectoires ne sont pas parfaitement circulaires. Beaucoup de ces orbites plongent profondément dans l'intérieur de l'étoile. Comme l'étoile est composée de matière incroyablement dense, toute particule qui plonge à l'intérieur est presque instantanément absorbée et détruite par le matériau nucléaire dense. Les chercheurs ont calculé que pour qu'une particule survive pendant des centaines de millions d'années, elle doit maintenir une orbite très spécifique et large qui ne touche jamais la surface de l'étoile. Cette découverte signifie que la vaste majorité des particules piégées est éliminée bien avant de pouvoir se désintégrer et chauffer l'étoile.

Pour parvenir à cette conclusion, l'équipe a construit une simulation informatique détaillée de l'évolution d'une étoile à neutrons naissante au cours des dix premières secondes de sa vie. Ils ont suivi les trajectoires de millions de ces particules hypothétiques à mesure que l'étoile se contractait et se refroidissait. Ils ont découvert que la gravité de l'étoile attire les orbites des particules vers l'intérieur, provoquant l'écrasement de beaucoup d'entre elles contre l'étoile. Une fois à l'intérieur, les particules sont absorbées par la matière nucléaire dense en quelques minutes ou même en quelques secondes, un processus bien plus rapide que le temps nécessaire pour qu'elles se désintègrent. Les seules particules qui survivent sont celles nées dans les couches externes de l'étoile avec la vitesse et la direction appropriées pour rester sur une orbite circulaire sûre, loin de la surface. Ces survivantes sont rares, ne transportant qu'une infime fraction de la chaleur que les théories précédentes avaient prédite.

Cette découverte impose une révision majeure des limites de l'interaction de ces particules avec la lumière. Les études précédentes suggéraient que si ces particules existaient, elles chaufferaient les vieilles étoiles à neutrons à des températures que nous devrions facilement détecter. Parce que la nouvelle étude montre que la plupart des particules sont absorbées, l'effet de chauffage est bien plus faible que ce qui avait été prévu auparavant. Par conséquent, les règles de ce qui est possible ont changé. Les chercheurs ont trouvé qu'une petite fenêtre de possibilité existe encore où ces particules pourraient survivre et chauffer une étoile, mais les conditions sont beaucoup plus strictes. Les particules doivent être plus lourdes et interagir avec la lumière d'une manière très spécifique qui annule d'autres effets naturels. Même avec ces conditions strictes, l'étude montre que l'étoile à neutrons la plus ancienne et la plus froide connue, PSR J2144−3933, exclut une gamme spécifique de masses de particules.

Les chercheurs ont également exploré comment la taille de l'étoile à neutrons finale affecte le résultat. Ils ont découvert que le rayon de l'étoile est un facteur crucial ; une étoile légèrement plus grande permet à plus de particules de survivre car leurs orbites peuvent rester plus éloignées de la surface. Leurs simulations ont montré qu'en changeant le rayon de l'étoile de seulement quelques kilomètres, on pouvait modifier le nombre de particules survivantes d'un facteur de près de quatre. De plus, ils ont pris en compte d'autres manières dont ces particules pourraient être créées, telles que par des interactions avec des pions, un type de particule qui existe à l'intérieur de l'étoile. Ces processus additionnels aident en réalité davantage de particules à survivre, élargissant la gamme de masses possibles où elles pourraient exister, mais le chauffage global reste faible.

En fin de compte, ce travail ne prouve pas que ces particules n'existent pas, mais il prouve qu'elles sont beaucoup plus difficiles à trouver que nous l'espérions. Le signal de "chauffage" que les astronomes cherchaient est probablement trop faible pour être vu avec les télescopes actuels car l'étoile absorbe les particules avant qu'elles ne puissent accomplir leur tâche. L'étude suggère que si ces particules existent, elles se cachent dans une plage très étroite de propriétés, et les trouver nécessitera soit des télescopes beaucoup plus sensibles, soit une méthode de détection différente. Les chercheurs soulignent que leurs résultats dépendent des modèles spécifiques du comportement des étoiles à neutrons, et que les observations futures de ces étoiles pourraient affiner davantage ce tableau. Pour l'instant, le nuage de particules fantomatiques autour d'une étoile à neutrons n'est pas un phare chaud et brillant, mais une collection éparse de survivantes qui ont réussi à esquiver l'étreinte affamée de l'étoile.