Des milliards d'années à partir de maintenant, lorsque le soleil sera dans sa dernière phase de mort (c'est-à-dire après avoir déjà vaporisé la Terre), son noyau d'hélium s'effondrera sur lui-même, se transformant en une boule de gaz incandescente étroitement compressée appelée une naine blanche .
Mais alors que ces pierres tombales stellaires parsèment déjà notre paysage galactique, leurs intérieurs restent un casse-tête en physique - ce qui n'est pas surprenant, étant donné leur étrange.
Récemment, une paire de chercheurs a créé un modèle sophistiqué pour «regarder» l'intérieur d'un nain blanc. Et devine quoi? Ces excentriques cosmiques pourraient faire honte aux truffes terrestres, car elles semblent avoir des centres crémeux remplis de liquides quantiques exotiques.
L'étoile autrefois fière
Des étoiles comme notre soleil tirent leur énergie de la fusion d'hydrogène en hélium au plus profond de leur cœur. Cette production d'énergie ne peut pas durer éternellement - finalement, l'hydrogène disponible s'épuise et la fête s'arrête. Mais vers la fin de leur vie, les étoiles peuvent rallumer brièvement les lumières en brûlant de l'hélium, laissant derrière elles un noyau inerte et mort de carbone et d'oxygène.
Mais les petites étoiles comme notre soleil n'ont pas assez de force gravitationnelle pour fusionner le carbone et l'oxygène dans des éléments plus lourds comme le magnésium ou le fer, et donc ils meurent, se retournant et libérant leurs atmosphères dans une belle (ou sanglante, selon votre point de vue) nébuleuse planétaire.
Ce noyau de carbone et d'oxygène reste derrière, une fraction importante de la masse de l'étoile enfermée dans un noyau pas plus grand que la Terre. Lorsque les astronomes ont découvert pour la première fois ces objets étranges - maintenant connus sous le nom de naines blanches - ils pensaient qu'ils étaient impossibles, avec des densités calculées qui dépassaient le milliard de fois celle de l'air que nous respirons. Comment quelque chose pouvait-il avoir une densité aussi extrême et ne pas simplement s'effondrer sous son propre poids terrible?
Mais les naines blanches ne sont pas impossibles, et les perspectives théoriques du début du XXe siècle ont résolu le mystère de la façon dont les naines blanches pouvaient éventuellement exister. La réponse est venue sous la forme de la mécanique quantique, et la prise de conscience qu'à des densités élevées, la nature est, pour le dire simplement, très bizarre. Dans le cas des naines blanches, seul un certain nombre d'électrons peuvent être emballés à l'intérieur. Étant donné que ces électrons en rotation se repoussent, ils créent ensemble une pression suffisante pour maintenir les étoiles mortes en ballon, malgré les forces de gravité presque écrasantes.
Et donc les cadavres stellaires peuvent vivre pendant des milliers de milliards d'années.
Centres remplis de crème
Alors que ces premiers calculs ont montré comment les naines blanches pouvaient exister dans notre univers, les astrophysiciens savaient que des descriptions simples ne captureraient pas complètement ce qui se passe dans de tels noyaux exotiques. Après tout, c'est un état de la matière qui est complètement inaccessible aux laboratoires et aux expériences ici sur Terre - qui sait à quels jeux étranges la nature pourrait se lancer, au fond de ces cœurs morts?
Les physiciens et les astronomes se posent des questions sur l'intérieur des naines blanches depuis des décennies maintenant, et dans un récent article paru sur le journal de préimpression arXiv, une paire de physiciens théoriciens russes a proposé un nouveau modèle des noyaux profonds des naines blanches, détaillant comment leur modèle s'appuie sur et s'écarte des travaux antérieurs, et comment les observateurs peuvent potentiellement dire si leur nouveau modèle est exact.
Dans ce nouveau modèle, les scientifiques ont simulé le noyau de la naine blanche comme composé d'un seul type de noyaux chargés lourds (ce n'est pas tout à fait exact, car les naines blanches sont un mélange de plusieurs éléments comme le carbone et l'oxygène, mais c'est un assez bon point de départ), avec ces particules immergées dans une épaisse soupe d'électrons.
Cette configuration suppose que les naines blanches sont suffisamment chaudes pour avoir des intérieurs liquides, ce qui est une hypothèse raisonnable, étant donné que lorsqu'elles sont nées (ou plutôt, lorsqu'elles sont finalement exposées après la mort de leurs étoiles hôtes), elles ont bien des températures au-dessus d'un million de degrés kelvins.
Les couches les plus externes d'une naine blanche sont exposées à l'environnement glacial d'un vide pur, permettant à l'hydrogène de se déposer sur la surface, leur donnant une atmosphère légère et mince. Et au cours des périodes extrêmes, les naines blanches se refroidissent, formant éventuellement un cristal géant, mais c'est assez loin pour que la plupart du temps, les naines blanches soient remplies d'un liquide quantique exotique de carbone et d'oxygène, donc le modèle utilisé dans cette étude est relativement précis pour une grande partie de la vie d'un nain blanc.
Surfaces emblématiques
Étant donné que les tripes naines blanches représentent l'un des environnements les plus inhabituels de l'univers, leur étude pourrait révéler certaines propriétés profondes de la mécanique quantique dans des conditions extrêmes. Mais puisque les scientifiques ne peuvent jamais espérer attacher une naine blanche à proximité pour l'amener pour une vivisection, comment pouvons-nous éventuellement jeter un œil sous le capot?
Les chercheurs du nouveau modèle ont montré comment la lumière émise par les naines blanches peut être différente de la chaleur. Les naines blanches ne produisent pas de chaleur par elles-mêmes; leurs températures intenses sont le résultat des pressions gravitationnelles extrêmes auxquelles ils étaient confrontés lorsqu'ils étaient à l'intérieur des étoiles. Mais une fois que leur étoile hôte a explosé et qu'elles sont exposées à l'espace, elles brillent intensément - dans les quelques milliers d'années qui suivent leur révélation, elles sont si chaudes qu'elles émettent des rayons X.
Mais ils se refroidissent, très lentement, laissant échapper leur chaleur sous forme de rayonnement dans l'espace. Et nous observons les naines blanches depuis assez longtemps pour que nous puissions les voir se refroidir au cours des années et des décennies. La vitesse à laquelle ils se refroidissent dépend de l'efficacité avec laquelle leur chaleur emprisonnée peut s'échapper vers leurs surfaces - ce qui dépend à son tour de la nature exacte de leurs tripes.
Une autre caractéristique que les chercheurs ont montré pourrait être utilisée pour sonder l'intérieur des naines blanches est leur oscillation toujours aussi légère. Semblable à la façon dont la sismographie est utilisée pour étudier le cœur de la Terre, la composition et le caractère d'une naine blanche changent la façon dont les vibrations se manifesteront à la surface.
Enfin, nous pouvons utiliser des populations de naines blanches pour avoir une idée de leurs intérieurs, car la relation entre leurs masses et leurs tailles dépend des relations quantiques-mécaniques précises qui régissent leurs intérieurs.
En particulier, la nouvelle recherche suggère que la plupart des naines blanches devraient se refroidir plus rapidement que nous le pensions, vibrer un peu moins souvent que les modèles plus anciens ne le suggèrent et être légèrement plus grandes que prévu si nous ne tenions pas compte de ce modèle plus réaliste. Maintenant, c'est aux astronomes de faire des mesures suffisamment précises pour voir si nous comprenons vraiment ces environnements exotiques, ou si nous devons y faire une autre fissure.
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Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers.
