Le puzzle de Hypérons

Le moment où on a commencé à croire qu'on a bien dévoilé les conceptions de la matière dense, arrive la découverte de deux étoiles à neutrons très massives, qui a contesté les modèles actuelles de l'intérieur des ces objets.

Les étoiles à neutrons sont bien les laboratoires cosmiques dans l'espace - elles nous permettent de sonder la physique dans des conditions extrêmes, que nous ne pouvons pas encore atteindre dans les conditions terrestres. La raison en es qu'étoiles à neutrons couvrent une large gamme de densités, depuis la densité comparable de celle à l'intérieur de noyaux lourdes dans les laboratoires nucléaires terrestres, en croissant vers le centre, où ils peuvent dépasser dix fois la densité nucléaire. C'est un défi énorme pour les physiciens de pouvoir modéliser tout ce système complexe, dans la cadre du même formalisme théorique. La description est pluridisciplinaire parce qu'elle invoque pour la construction de modèles la physique nucléaire, la physique des particules, la relativité générale et la physique de la matière dense sous les conditions extrêmes où ses propriétés sont toujours inconnus (voir plus ici).

Quand la densité de la matière dépasse deux fois celle de la densité nucléaire, la composition de la matière est un mystère. L'étude de la matière dense et chaude produite dans des accélérateurs de particules tels que le CERN indique que plusieurs particules «exotiques» peuvent temporairement être produites dans cette condition. Hypérons sont un tel exemple de particules étranges.

C'est fascinant que ces hypérons devraient également être produits dans le coeur des étoiles à neutrons, et devraient survivre plus longtemps. Contrairement aux réactions nucléaires qui surviennent dans les collisionneurs de particules («interaction forte»), les interactions dans les objets astrophysiques sont beaucoup plus lentes ( «interaction faible») et l'étrangeté n'est pas conservée dans ces réactions. Si des hypérons sont présents dans le coeur, ils enlèvent une partie de l'énergie de système et donc abaisser la pression. C'est ce qu'on appelle un «soft Equation of State» (une condition ou une équation d'état douce) et se traduit par des étoiles à neutrons à faible masse.

Si de telles étoiles de neutrons de masse faible existent, elles doivent être observées à l'aide de mesures astrophysiques. La plupart des observations indiquent que les masses d'étoiles à neutrons sont proches d'une valeur canonique d'environ 1,4 fois celle du soleil. Ceci était jusqu'ici en accord avec les modèles du coeur contenant de l'étrangeté contenant de la matière comme les «hypérons».

En 2010 il y avait une découverte surprenante de deux étoiles à neutrons très massives, J1614-2230 (voir figure ci-dessous) et J0348 + 0432, qui a battu les records précédents de mesures de masse. Les deux analyses indiquaient des masses à peu près de deux fois de la masse solaire. De telles observations prédisaient un «EoS raide» et en contradiction avec la conjecture que les étoiles de neutrons pourraient contenir des hypérons dans leur intérieur.

Les impulsions de l'étoile à neutrons ralentissent lorsqu'elles passent le champ gravitationnel de la naine blanche. Cet effet ( «Shapiro delay») a permis aux astronomes de mesurer la masse de l'étoile à neutrons PSR J1614-2230 [Source: NRAO/AUI/NSF]

Ce qui rend la question plus compliquée, c'est que les expériences sur les ions lourds (par exemple, le KaoS (Kaon Spectrometer) de GSI, à Darmstadt, en Allemagne) indiquent toujours une équation d'étât douce. Cependant, ces conclusions dépendaient du modèles analytiques.

Cela a motivé le réexamen de modèles théoriques qui prédisaient des étoiles à neutrons à faible masse contenant des hypérons. Plusieurs études ont conclu que la réponse réside dans l'interaction entre les hypérons, qui n'est pas encore bien déterminée. Si l'hypéron-hypéron interaction est suffisamment répulsif, alors cela peut résoudre le «hypéron puzzle». L'interaction entre hypérons est déduite des rares données disponibles sur les expériences hypérnucléaires. Cette étude a motivé davantage de telles expériences pour mieux comprendre des interactions hypéron-hypéron qui peuvent aider à améliorer notre compréhension actuelle de la matière froide et dense dans les étoiles à neutrons.

Voir aussi:

The Hyperon Puzzle in Neutron Stars, I. Bombaci

https://arxiv.org/abs/1601.05339