Les étoiles à neutrons se hissent au sommet de la liste des objets les plus délicieux de l’Univers. Au début, il s’agissait de “pâtes nucléaires ” denses sous leur croûte. Aujourd’hui, nous avons de nouvelles preuves que le cœur des étoiles à neutrons les plus massives est composé d’une “soupe” exotique de particules subatomiques appelées quarks.
Les physiciens ont produit de nouveaux calculs en utilisant les données des ondes gravitationnelles détectées pour la première fois lors d’une collision d’étoiles à neutrons en août 2017, ainsi que les observations d’étoiles à neutrons étonnamment massives. Leur conclusion laisse entrevoir un résultat passionnant : les noyaux des étoiles à neutrons les plus massives sont si denses que les noyaux atomiques cessent d’exister, se condensant en matière de quarks.
Il s’agit, selon les chercheurs, d’une étape importante dans la compréhension des étranges entrailles de ces objets extrêmes.
“Confirmer l’existence de noyaux de quarks à l’intérieur des étoiles à neutrons est l’un des objectifs les plus importants de la physique des étoiles à neutrons depuis que cette possibilité a été envisagée pour la première fois, il y a environ 40 ans”, a déclaré le physicien théoricien Aleksi Vuorinen, de l’Université d’Helsinki et de l’Institut de physique d’Helsinki.
Les étoiles à neutrons sont assez folles. Elles sont en fait mortes – les restes effondrés d’étoiles massives qui auraient eu entre 8 et 30 masses solaires (une mesure basée sur la masse du Soleil). Lorsque ces étoiles deviennent des supernovas, la majeure partie de leur masse est projetée dans l’espace, tandis que le noyau restant s’effondre pour former un objet incroyablement dense.
Les étoiles à neutrons qui en résultent peuvent avoir une masse comprise entre 1,1 et 2,3 masses solaires, regroupées en une petite sphère dense de 10 à 20 kilomètres de diamètre. Cinq grandes étoiles à neutrons, chacune contenant plus de masse que notre Soleil, pourraient s’installer confortablement le long du mur d’Hadrien, et avec de la place en plus.
Lorsque la supernova à effondrement du noyau se produit, les protons et les électrons des atomes qui composent l’objet sont comprimés en neutrons et en neutrinos. Les neutrinos s’échappent, laissant les neutrons dans des conditions de pression si élevées qu’ils fusionnent ensemble, faisant de l’étoile à neutrons essentiellement un gros noyau, avec une densité supérieure à 100 trillions de fois celle de l’eau à la base de la croûte. (Cela produit les structures en “pâtes nucléaires”)
Mais la densité devrait augmenter à mesure que l’on s’enfonce dans les profondeurs, et c’est là qu’intervient l’idée de noyaux de matière quark. Les quarks sont des particules subatomiques fondamentales qui se combinent pour former des particules composites telles que les protons et les neutrons.
Vous pouvez probablement voir où cela nous mène. Depuis quelques décennies, les astronomes ont émis l’hypothèse que, sous une chaleur et une densité suffisamment élevées, les neutrons se décomposent encore davantage en leurs quarks constitutifs, créant ainsi une sorte de soupe de quarks.
Il est cependant très difficile de déterminer ce qui se trouve à l’intérieur d’une étoile à neutrons. La collision d’août 2017 – GW170817 – a donc été très excitante pour les astronomes, car la façon dont les deux étoiles ont changé lorsqu’elles sont devenues suffisamment proches pour se déformer gravitationnellement l’une l’autre pourrait révéler des informations sur leur structure interne.
Vuorinen et son équipe ont utilisé ce signal d’onde gravitationnelle ainsi que de nouveaux résultats de la théorie et de la physique des particules pour produire leur calcul alléchant. Ils ont découvert que les étoiles à neutrons se situant vers la limite supérieure de la masse de tels objets – au moins 2 masses solaires – présentent des caractéristiques qui indiquent la présence d’un énorme noyau de matière quark, d’un diamètre supérieur à la moitié de celui de l’étoile à neutrons.
Ce n’est pas une certitude absolue, mais les calculs indiquent que quelque chose de vraiment particulier devrait se produire, si les noyaux de ces étoiles ne sont pas constitués de matière quark.
“Il existe encore une chance infime, mais non nulle, que toutes les étoiles à neutrons soient composées uniquement de matière nucléaire”, explique Vuorinen.
“Ce que nous avons pu faire cependant, c’est quantifier ce que ce scénario exigerait. En bref, le comportement de la matière nucléaire dense devrait alors être vraiment particulier. Par exemple, la vitesse du son devrait atteindre presque celle de la lumière.”
La découverte de matière quark à l’intérieur des étoiles à neutrons ne serait pas seulement étonnante en soi – elle pourrait nous aider à en savoir plus sur les tout premiers instants de notre Univers.
Les cosmologistes pensent que, pendant les quelques microsecondes qui ont suivi le Big Bang, connues sous le nom d’époque des quarks, l’Univers était rempli d’une soupe chaude de plasma quark-gluon qui s’est rapidement transformée en hadrons.
Aujourd’hui, nous ne pouvons trouver de la matière quark que très brièvement dans les expériences de collision de particules, mais certaines étoiles à neutrons massives pourraient également en abriter. Si nous pouvons caractériser les conditions des étoiles à neutrons dans lesquelles la matière quark se forme, cela pourrait nous aider à mieux comprendre l’époque des quark.
Depuis GW170817, la collaboration LIGO-Virgo a détecté une deuxième fusion d’étoiles à neutrons, et ce n’est qu’une question de temps avant que d’autres ne commencent à arriver. L’analyse d’autres fusions pourrait aider l’équipe à valider davantage ses calculs et à aplanir les incertitudes.
“Il y a des raisons de croire que l’âge d’or de l’astrophysique des ondes gravitationnelles ne fait que commencer et que nous serons bientôt témoins de nombreux autres sauts comme celui-ci dans notre compréhension de la nature”, a déclaré Vuorinen.
Les travaux de recherche ont été publiés dans Nature Physics.