Le coeur des étoiles à neutrons pourrait être fait de matière exotique

coeur étoile noyau atomique
L'illustration montre la section efficace d'une étoile à neutrons constituée de matière de quarks. Crédits : Jyrki Hokkanen/CSC

Le cœur des étoiles à neutrons, qui sont des objets ultradenses résultant de l’effondrement gravitationnel de noyaux stellaires lors de supernovas, demeure un mystère. Une nouvelle analyse par superordinateur suggère que ces étoiles mortes pourraient contenir un noyau rempli de quarks libres, des particules subatomiques fondamentales, formant ainsi une matière exotique appelée « matière de quarks froids ». Explications.

De quoi le cœur des étoiles à neutrons est-il fait ?

Le processus de formation des étoiles à neutrons commence avec une étoile 10 à 20 fois plus massive que le Soleil. Au cours de sa vie, cette étoile consomme son combustible nucléaire, principalement de l’hydrogène, par des réactions de fusion dans son noyau. Cette fusion produit une force qui équilibre la pression gravitationnelle vers l’intérieur de l’étoile, maintenant ainsi sa stabilité.

Une fois que l’étoile a épuisé son stock de combustible nucléaire, cette force de pression n’est plus suffisante pour compenser la gravité qui attire la matière vers le centre de l’étoile. Celle-ci entre alors dans une phase d’effondrement gravitationnel.

Dans le cas des étoiles dont la masse est comprise entre dix et vingt fois celle du Soleil, cet effondrement gravitationnel peut être si intense que les protons et les électrons, qui constituent normalement la matière ordinaire, fusionnent pour former des neutrons. C’est ainsi que naissent les étoiles à neutrons. Ces objets extrêmement denses ont une taille d’environ vingt kilomètres, mais leur masse est équivalente à une à deux fois celle du Soleil.

Ce processus est assez bien compris. Cependant, la composition interne de ces étoiles à neutrons est toujours un sujet d’interrogation, ce qui nous ramène à cette étude.

Dans le cadre de récents travaux, des chercheurs ont employé une méthode sophistiquée connue sous le nom d’inférence bayésienne (une méthode statistique) pour explorer la composition interne des étoiles à neutrons. En utilisant cette méthode, ils ont alors pu analyser et interpréter les observations astronomiques en les confrontant à des modèles théoriques.

étoiles à neutrons trous noirs
Représentation d’artiste d’une étoile à neutrons. Crédits : NASA

Une forme exotique de matière

Les résultats de l’analyse ont révélé une forte probabilité que l’intérieur des étoiles à neutrons soit constitué de ce qu’on appelle de la « matière de quarks froids ». Il s’agit d’une forme exotique de matière qui diffère de la matière nucléaire classique composée de protons et de neutrons.

Pour rendre cela plus compréhensible, imaginons que la matière nucléaire classique soit comme des briques de construction qui permettent de construire des atomes, lesquels forment la base de toute la matière que nous connaissons, comme les étoiles, les planètes et même nous-mêmes. Dans le cas de la matière de quarks froids, il semblerait que ces « briques » conventionnelles (protons et neutrons) soient remplacées par des composants plus fondamentaux appelés quarks qui existent librement sans former les briques habituelles.

Cette découverte suggère que l’intérieur des étoiles à neutrons pourrait être bien plus étrange et exotique que ce que nous avions initialement imaginé. Cette hypothèse pourrait être confirmée à l’avenir grâce à des améliorations dans l’observation des ondes gravitationnelles provenant de collisions d’étoiles à neutrons. Cependant, la confirmation nécessitera des calculs intensifs sur des superordinateurs et des observations plus précises.

Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Nature Communications.