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Les collisions d’étoiles à neutrons font partie des phénomènes les plus cataclysmiques du cosmos. Et jusqu’à maintenant, les astrophysiciens n’ont pu en observer qu’une seule, tant et si bien qu’il est extrêmement complexe, pour ne pas dire impossible, de mesurer certaines des propriétés physiques internes à un tel événement ; et c’est notamment le cas de le température. Cependant, une équipe de physiciens est parvenue à reproduire les conditions de température et de densité de la collision d’étoiles à neutrons en laboratoire.

Les scientifiques de l’Université technique de Munich et du Centre GSI Helmholtz pour la recherche sur les ions lourds en Allemagne (la collaboration HADES) ont dû se montrer créatifs. Ils ont découvert comment simuler une collision d’étoiles à neutrons ici même sur Terre, en utilisant des collisions de particules. L’étude a été publiée dans la revue Nature Physics.

Des ions lourds, pour être précis. Il s’avère que certaines des conditions dans les collisions d’ions lourds — à savoir les densités et les températures — sont similaires à celles dans les collisions d’étoiles à neutrons. Et, tout comme les photons virtuels sont produits lors d’une collision entre étoiles à neutrons, ils peuvent également apparaître lorsque deux ions lourds se percutent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière.

Traquer les photons virtuels lors des collisions de particules

Cela peut être fait en utilisant l’accélérateur à ions lourds du GSI, mais il y a deux problèmes principaux. Le premier est que les photons virtuels apparaissent très rarement. La seconde est qu’ils présentent un signal très faible. Le premier problème est facile à résoudre, même s’il prend un peu de temps : multiplier les collisions. « Nous avons dû enregistrer et analyser environ 3 milliards de collisions pour reconstruire finalement 20’000 photons virtuels mesurables » explique le physicien Jürgen Friese.

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Simulations de la matière nucléaire lors de la collision d’étoiles à neutrons. Des photons virtuels sont générés. Crédits : HADES 2019

Le deuxième problème est un peu plus compliqué. L’équipe a dû concevoir une grande caméra personnalisée — de 1.5 mètre carré — pour détecter les très faibles signatures de rayonnement Cherenkov générés par les produits de désintégration des photons virtuels. « Nous avons donc développé une technique de reconnaissance des signatures dans laquelle une photo de 30’000 pixels est tramée en quelques microsecondes à l’aide de masques électroniques. Cette méthode est complétée par des réseaux de neurones et une intelligence artificielle ».

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Une température de 800 milliards de degrés Celsius en laboratoire

Ces données ont permis à l’équipe de sonder les propriétés de la matière extrêmement dense brièvement produite par les collisions d’ions lourds — et les chercheurs ont découvert que cette matière montrait les propriétés attendues de la matière formée lors de la fusion d’étoiles à neutrons.

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Diagramme de phase de la matière QCD. Le plasma de quarks-gluons (QGP) n’apparaît qu’à très haute température. Crédits : HADES 2019

Ils ont pu déterminer que deux étoiles à neutrons en collision, chacune d’une masse 1.35 fois supérieure à celle du Soleil, produiraient une température de 800 milliards de degrés Celsius. Cela signifie que de telles collisions fusionnent des noyaux lourds. Mais ce n’est pas tout. Cette recherche fournit un aperçu de la matière dense de quarks (matière de QCD) qui a rempli l’Univers quelques instants après le Big Bang.

« Un plasma de quarks et de gluons a été transformé en nucléons et autres états liés hadroniques dans l’Univers primitif. Des états similaires de la matière, à des températures plus basses, existeraient encore à l’intérieur d’objets stellaires compacts, telles que les étoiles à neutrons. La formation de cette matière cosmique lors de collisions d’ions lourds donne accès à des études sur la structure microscopique de la matière QCD à l’échelle femtométrique » concluent les auteurs.

Sources : Nature Physics

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