A la recherche de la matière noire par sa capacité à former un trou noir au sein des étoiles à neutrons

This is the French adaptation of this older post of mine on the constraints on dark matter that could be extracted from neutron stars not seeing any black hole formed inside them.

Je vais parler de cet article que j’ai lu il y a quelques mois. Les auteurs mentionnent une possibilité d’utiliser des étoiles à neutrons pour contraindre différents modèles de matière noire.

Plus en détails, ils utilisent le fait que des vieilles étoiles à neutrons ont été observées dans l’univers, et qu’elles n’ont par là pas été détruites par un trou noir qui pourrait naître d’une trop forte accumulation de matière noire en leur sein.

Wow! Etoiles à neutrons, matière noire et trous noirs dans le même article. Chapeau!

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MATIERE NOIRE

Dans le modèle standard de la cosmologie, une partie importante de la matière présente dans l’univers est inconnue et est nommée matière noire.

Ce nom vient du fait que la matière noire interagit gravitationnellement, comme la matière usuelle, et qu’elle n’interagit pas électromagnétiquement (et est donc noire, vu que la lumière est liée à l’électromagnétisme).

La matière noire a été initialement postulée pour expliquer le mouvement circulaire des étoiles dans les galaxies lointaine. Il s’agit de la matière invisible manquante pour que le déplacement des étoiles soit à la fois en accord avec la théorie et les observations.

Il y a aujourd’hui de nombreuses preuves indirectes supplémentaires favorisant la matière noire, que cela soit lié au fond diffus cosmologique ou aux lentilles gravitationnelles, pour n’en citer que deux.

Bien sûr, un univers sans matière noire fonctionne également, aussi bien du point de vue des données que de celui de la théorie. L’absence d’observation directe motive d’ailleurs de telles recherches.

Dans le cadre de la cosmologie standard, il faut tester l’hypothèse de la matière noire et la confronter aux données de toutes les façons possible. L’utilisation des étoiles à neutrons est un moyen parmi d’autre.

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ETOILES A NEUTRON

Les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses de l’universe après les trous noirs. Ils proviennent de l’effondrement gravitationel d’une étoile d’environ 1 à 3 masses solaires, une fois que cette dernière a fini de brûler tout son carburant.

Alors que les couches externes de l’étoiles explosent (il s’agit d’une supernova), son coeur s’effondre gravitationellement. Les protons et électrons qui étaient présents dans la structure atomique de l’étoile finissent alors par se rapprocher suffisamment pour s’annihiler et produire des neutrons.

Ces neutrons sont alors compactés dans un volume sphérique d’environ 10 à 20 kilomètres de rayon, et la mécanique quantique explique qu’un tel système est stable.

En deux ou trois mots (techniques, attention), le système est fait de plein de neutrons qui peuvent chacun occuper certains niveaux d’énergie. Deux neutrons différents ne peuvent cependant occuper le même niveau d’énergie, en vertu du principe d’exclusion de Pauli.

Bien que les neutrons occupent préférentiellement les niveaux d’énergie les plus bas, nous en avons tellement que des hauts niveaux d’énergie finissent par être occupés. Par conséquent, nous avons suffisamment d’énergie à disposition pour compenser l’effondrement gravitationnel et on obtient la stabilité du système.

Sous certaines conditions, les étoiles à neutrons émettent des radiations qui peuvent être observées en raison d’un mouvement de rotation extrêmement rapide et de la présence d’intenses champs magnétiques (on parle plus précisément de pulsars et magnétars).

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TROUS NOIRS

Les trous noirs, c’est un peu comme les étoiles à neutrons, mais en mieux. L’étoile est plus massive au départ, et la pression des neutrons n’arrive pas à compenser l’effondrement gravitationnel, qui continue donc.

Le coeur de l’étoile s’effondre de plus en plus et on finit par obtenir une zone de l’espace où il y a tellement de masse que le champ gravitationnel est tellement intense et devient ce que l’on appelle un trou noir.

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MATIERE NOIRE ET ETOILES A NEUTRONS

Revenons à nos moutons, ou mieux, à notre article scientifique. Au final c’est assez simple.

Les étoiles à neutrons peuvent capturer occasionnellement des particules de matière noire qui se retrouvent alors piégées à l’intérieur de l’étoile. Avec le temps, le nombre de particules piégées augmente, jusqu’à l’effondrement gravitationnel qui mène à la formation d’un mini trou noir. Ce trou noir va être à la source de la destruction de l’étoile à neutrons.

Mais nous avons observé de très vieilles étoiles à neutrons qui ont potentiellement eu assez de temps pour attirer suffisamment de particules de matière noire pour être détruites. Nous avons donc un moyen de contraindre les modèles de matière noire de façon à ce que leurs prédictions donnent une densité suffisante de vielles étoiles à neutrons.

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RESUME ET REFERENCES

Dans cet article, les auteurs ont étudié comment l’existence d’étoiles à neutrons très vieilles pouvaient être utilisées pour contraindre les modèles de matière noire.

La matière noire peut se retrouver piégée au sein des étoiles à neutrons et l’on peut calculer le nombre de particules piégées en fonction de la durée de vie de l’étoile.

Sous certaines conditions, ces particules peuvent mener à la création d’un mini trou noir qui va détruire l’étoile. Cependant, les étoiles à neutrons existent et ne semblent pas avoir été toutes détruites par des trous noirs. Par conséquent, il faut s’assurer que les modèles de matière noire soient tels qu’ils ne prédisent pas la destruction des étoiles à neutrons.

Pour plus d’informations:

• Sur les étoiles à neutrons, le site de la NASA est bien fait.
• Une autre page de la NASA, mais sur les trous noirs ce coup-ci.
• Pour la matière noire, j’ai écrit il y a quelque temps ceci sur Steemit.