La collision entre deux étoiles à neutrons a été reproduite sur Terre pour la première fois

Les scientifiques n’ont détecté qu’une seule fois la collision entre deux étoiles à neutrons, en 2017 (en remontant à la source d’ondes gravitationnelles). C’est un phénomène massif, rare et difficile à étudier. Ces astres sont si denses qu’il est difficile de comprendre ce qu’il se passe à l’intérieur et de mesurer, par exemple, le taux de chaleur que provoque une telle collision. Dans une étude de la revue Nature Physics publiée fin juillet 2019 et relayée par un communiqué le 22 août, des chercheurs révèlent avoir trouvé la solution idéale pour progresser malgré tout. Ils ont reproduit les conditions de la collision, sur Terre, grâce à un accélérateur de particules.

Une étoile à neutrons est l’un des résultats possibles de la mort d’une étoile. Plus précisément, lors de l’effondrement gravitationnel d’une étoile très massive, les protons et les électrons se combinent, ce qui produit des neutrons. Une majeure partie de la matière de l’étoile se transforme ainsi en neutrons. L’une des particularités de ce type d’astre est sa densité exceptionnelle. C’est la raison pour laquelle, même si une collision ou une fusion est détectée (avec une autre étoile ou bien un trou noir), il est difficile d’en percer les secrets.

Le collisionneur HADES a été utilisé pour simuler les conditions de la fusion entre étoiles à neutrons.

Source : Thomas Ernsting / GSI

Les conditions reproduites… dans un accélérateur de particules

Une équipe de chercheurs, basée à l’université technique de Munich, a décidé de reproduire la fusion entre deux étoiles à neutrons sur Terre, grâce à un accélérateur de particules. La clé se trouve dans les ions lourds : leur collision permet d’obtenir des conditions similaires à celles que l’on peut observer entre deux étoiles à neutrons, aussi bien concernant la température que la densité.

Autre point commun : les deux phénomènes génèrent des photons virtuels, une forme transitoire de la matière produite par la collision. La fusion d’étoiles à neutrons en produit automatiquement et, dans le cas des ions lourds, ils doivent se percuter à une vitesse approchant la vitesse de la lumière. L’expérience consistait donc à simuler les conditions d’une collision entre étoiles à neutrons, mais à une échelle microscopique, l’échelon des particules. Pour ce faire, les chercheurs se sont appuyés sur HADES, un accélérateur de particules basé en Allemagne et spécialisé dans les ions lourds.

Les scientifiques ont porté leur regard sur les fameux photons virtuels. Pour les détecter, ils ont construit une caméra sur-mesure de 1,5 mètre carré, construite pour capter l’effet Vavilov-Tcherenkov — un flash de lumière généré par les photons virtuels. Pour autant, la détection n’est pas si simple : non seulement ces flashs sont très faibles, mais ces particules elles-mêmes apparaissent si rarement que l’expérience a nécessité beaucoup de temps : « Nous devions enregistrer et analyser 3 milliards de collisions pour finalement reconstruire 20 000 photons virtuels mesurables », explique le physicien Jürgen Friese.

800 milliards de degrés

Pour accélérer efficacement le processus de détection, les scientifiques de Munich ont développé un système automatisé de reconnaissance des formes. Une photographie de 30 000 pixels était traitée en quelques microsecondes. « Cette méthode est complétée par les réseaux neuronaux et l’intelligence artificielle », précise Jürgen Friese dans le communiqué.

L’utilisation de l’accélérateur de particules a été fructueuse. Les résultats ont permis aux chercheurs d’en arriver à la conclusion que la collision entre deux étoiles à neutrons produit une température de 800 milliards de degrés. À partir de cette mesure, les chercheurs peuvent mieux comprendre la nature de cet astre. Ils en déduisent que le phénomène est littéralement la « cuisine cosmique de noyaux lourds ».

L’expérience a aussi permis de découvrir que le stade final de la fusion entre deux étoiles à neutrons transforme la matière dans un état de densité proche du plasma quarks-gluons que l’on pouvait trouver juste après le Big Bang. C’est une énième preuve que l’étude des étoiles à neutrons est, malgré sa complexité, un vivier exceptionnel pour comprendre certains des aspects les plus mystérieux de l’Univers.