Les étoiles à neutrons sont des laboratoires naturels pour l'étude de la matière superdense et de la matière sombre. Deux lignes de recherche se sont développées presque indépendamment : la structure et le refroidissement de l'étoile, d'une part, et le lentillage gravitationnel de la lumière dans son champ, d'autre part. Ce travail les combine, en se demandant quelle trace laisse la matière sombre dans la faible déviation de la lumière. Autour de ce sujet, il existe déjà des travaux sur le lentillage par des halos de matière sombre superposés, mais ils ne tiennent pas compte de la structure autocohérente de l'étoile. Notre travail se situe à côté des recherches sur la matière sombre dans les étoiles à neutrons et le lentillage gravitationnel, mais il diffère en ce que le halo émerge comme une solution des équations de structure, et non pas inséré manuellement.
L'étoile est modélisée comme deux fluides parfaits : un fluide baryonique et un fluide sombre, interagissant uniquement par la gravité. Le système couplé des équations de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV) est intégré pour une équation d'état réaliste de la matière baryonique (SLy4 ou APR4) et pour une matière sombre auto-interagissante. Pour des particules de matière sombre légères (masse inférieure à 0,2 GeV), la pression soutient un halo étendu au-delà de la surface baryonique. L'angle de déviation de la lumière est calculé par la méthode de Gibbons-Werner, où la déviation est égale à l'intégrale de la courbure gaussienne de la métrique optique sur la région délimitée par le rayon. En champ faible, la déviation est déterminée par la masse cylindrique : la masse contenue dans un cylindre de rayon égal au paramètre d'impact.
Le résultat principal : pour les rayons qui traversent le halo (paramètre d'impact inférieur au rayon du halo), la déviation est supprimée par rapport à une masse ponctuelle de même masse totale. Cette suppression est décrite par la masse cylindrique, qui est inférieure à la masse totale car une partie du halo se trouve à l'extérieur du cylindre. Le déficit de déviation est maximal à la surface baryonique et décroît de manière monotone jusqu'à zéro à la limite du halo. Pour une étoile typique avec une fraction de matière sombre de 0,35 et un rayon de halo de 30 km, le déficit au bord interne atteint 0,35. Les cartes de déficit dans le plan (fraction de matière sombre, rayon du halo) montrent que les contours s'inclinent et séparent différentes équations d'état de la matière baryonique (un noyau standard de rayon 10 km et un noyau rigide de rayon 13 km).
Ce travail se distingue des recherches voisines en reliant le lentillage à un modèle autocohérent à deux fluides de l'étoile. Auparavant, la déviation de la lumière était calculée pour des profils de matière sombre superposés, sans se demander s'ils étaient physiquement réalisables. Ici, le halo est une sortie des équations TOV, et le lentillage reflète la même microphysique que la masse, le rayon et la déformabilité de marée. Cela offre une vérification croisée géométrique indépendante pour les configurations avec matière sombre déduites des observations des ondes gravitationnelles. La forme du déficit, plutôt que sa normalisation, peut aider à distinguer la matière sombre de l'incertitude de l'équation d'état nucléaire.
Le sujet peut évoluer vers la prise en compte de la rotation des étoiles à neutrons. Pour les pulsars millisecondes en rotation rapide, l'entraînement des référentiels inertiels et le moment quadrupolaire introduisent des corrections à la déviation de la lumière. L'extension de la métrique optique à la géométrie axisymétrique de Hartle-Thorne permettra de séparer les contributions de la rotation et du halo sombre. De plus, l'application de la version à distance finie du théorème de Gauss-Bonnet pour des sources et des observateurs à distances finies est prometteuse, ce qui est pertinent pour les étoiles à neutrons galactiques.
Les résultats influenceront l'astrophysique des objets compacts et la cosmologie : ils proposent un nouveau moyen de vérifier la présence de matière sombre dans les étoiles à neutrons via le lentillage gravitationnel. Cela renforcera également le lien entre la modélisation de la structure des étoiles et les observations des ondes gravitationnelles.
La prochaine étape consiste à inclure la rotation dans le modèle à deux fluides et à calculer la déviation de la lumière dans la métrique de Hartle-Thorne. Une autre étape consiste à évaluer l'observabilité de l'effet dans les événements de microlentille astrométrique avec la précision de Gaia.
Ce travail est directement lié au problème non résolu de la dégénérescence entre la matière sombre et l'équation d'état de la matière nucléaire dense dans les étoiles à neutrons. La méthode de diagnostic géométrique proposée, la forme de la courbe de déviation, peut aider à lever cette dégénérescence, qui limite l'interprétation des données sur la masse, le rayon et la déformabilité de marée.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Les auteurs ont construit un modèle auto-cohérent à deux fluides d'une étoile à neutrons, avec de la matière baryonique et de la matière noire interagissant par la gravité, et ont calculé l'angle de déviation de la lumière par la méthode de Gibbons–Werner. Ils ont montré que pour les rayons traversant le halo sombre, la déviation est supprimée par rapport à une masse ponctuelle, et que ce déficit dépend de la fraction de matière noire et du rayon du halo. Les cartes de déficit montrent une sensibilité à la rigidité de l'équation d'état de la matière baryonique.
Où est sa force
Relier le lentillage gravitationnel à la structure auto-cohérente à deux fluides de l'étoile est une approche rare, qui transforme la forme du déficit de déviation en un test géométrique indépendant de la microphysique. Cela ouvre la voie à une vérification croisée des configurations avec matière noire dérivées des observations d'ondes gravitationnelles.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Si le signal géométrique du halo sombre peut être isolé dans les futures observations de lentillage, cela fournirait un moyen indépendant des méthodes électromagnétiques et des ondes gravitationnelles pour sonder la composition des étoiles à neutrons et les propriétés de la matière noire.
Travaux voisins dans notre archive
Le travail le plus proche de l'archive se situe à 0.62 par le sens — le niveau habituel de notre corpus.
L'angle de déviation de la lumière par une étoile à neutrons avec un halo sombre, pour un paramètre d'impact égal au rayon du halo, est d'environ 16 degrés, ce qui est bien supérieur à la déviation de la lumière par le Soleil (1,75 seconde d'arc).