étoile à neutrons
Illustration d'une étoile à neutrons. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA/Chris Smith (USRA/GESTAR)

Des étoiles à neutrons moins massives que des naines blanches pourraient-elles exister ?

Les étoiles à neutrons sont des objets cosmiques fascinants qui se forment lorsqu’une étoile massive atteint la fin de sa vie et subit une explosion de supernova. Après cette explosion, le noyau restant est comprimé à une densité extrême, créant un objet dense et compact : l’étoile à neutrons. La plupart de ces étoiles à neutrons possèdent une masse comprise entre 1,4 et 2 fois celle du Soleil, mais une question intrigue les astrophysiciens : des étoiles à neutrons pourraient-elles exister avec une masse inférieure à celle d’une naine blanche, un autre type d’étoile morte ? Bien que cela semble contre-intuitif, des recherches récentes suggèrent que cette hypothèse pourrait être plus plausible que ce que l’on pensait.

Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons et comment se forme-t-elle ?

Une étoile à neutrons est le résidu dense d’une étoile massive ayant explosé en supernova. Ces étoiles sont principalement constituées de neutrons, qui sont des particules subatomiques stables à l’intérieur de l’étoile mais instables à l’extérieur. Une étoile à neutrons est incroyablement dense : une cuillère de sa matière pèserait environ 400 millions de tonnes sur Terre.

La masse typique des étoiles à neutrons varie entre 1,4 et 2 masses solaires, un intervalle qui découle des processus de formation de ces objets. Si une étoile possède une masse plus faible que 1,4 fois celle du Soleil, elle se transforme généralement en naine blanche plutôt qu’en étoile à neutrons. Une naine blanche est une étoile morte qui n’a pas suffisamment de masse pour devenir une étoile à neutrons et reste stable grâce à la pression des électrons. La limite de Chandrasekhar, fixée à environ 1,4 masse solaire, détermine la masse maximale d’une naine blanche avant qu’elle ne subisse un effondrement gravitationnel. En revanche, au-delà de cette masse, la pression des électrons ne suffit plus à soutenir l’étoile, et elle se transforme en étoile à neutrons ou, si sa masse est encore plus élevée, en trou noir.

La théorie derrière une étoile à neutrons de faible masse

Les étoiles à neutrons se forment suite à l’effondrement d’une étoile en supernova, un événement cataclysmique. Une supernova libère une immense quantité d’énergie qui peut, dans certains cas, comprimer le noyau de l’étoile restante en une étoile à neutrons. Cependant, il est possible que certains noyaux de supernova soient plus légers que la masse minimale généralement attendue pour former une étoile à neutrons.

La question est de savoir si ces noyaux pourraient être stables sous forme d’étoiles à neutrons, malgré leur masse inférieure à celle d’une naine blanche. Ce scénario dépend de l’équation d’état qui régit la matière des étoiles à neutrons, connue sous le nom d’équation de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV). Cette équation complexe permet de décrire comment la matière à l’intérieur d’une étoile à neutrons est maintenue sous pression par les forces gravitationnelles et nucléaires.

Selon l’équation TOV, la masse d’une étoile à neutrons peut théoriquement descendre jusqu’à environ 1,1 masse solaire, et dans certains cas extrêmes, des recherches suggèrent que la limite inférieure pourrait même descendre à 0,4 masse solaire. Toutefois, cette hypothèse reste un sujet de débat dans la communauté scientifique, car la stabilité de la matière neutronique à ces faibles masses n’est pas encore bien comprise.

naine blanche étoiles à neutrons
Illustration d’une naine blanche générée par Grok

La recherche des étoiles à neutrons de faible masse et les découvertes actuelles

Afin de tester cette hypothèse, les astrophysiciens se tournent vers les observatoires d’ondes gravitationnelles, tels que Virgo et LIGO. Ces instruments de pointe sont capables de détecter les ondes gravitationnelles, des ondulations dans l’espace-temps causées par des événements violents dans l’univers, comme les fusions d’étoiles à neutrons ou de trous noirs. Lors de ces fusions, des « chirps » gravitationnels sont émis, qui peuvent être captés par ces observatoires.

Une étude récente a cherché à détecter des signaux de fusions entre des étoiles à neutrons de faible masse, en simulant la déformation par effet de marée de ces étoiles pendant la fusion. Cependant, bien que l’étude n’ait trouvé aucune preuve directe d’étoiles à neutrons de faible masse, elle a permis de poser des limites sur leur existence. En particulier, les chercheurs ont découvert qu’il ne peut y avoir plus de 2 000 fusions observables impliquant une étoile à neutrons de moins de 0,7 masse solaire. Cette découverte ne prouve pas l’inexistence de ces étoiles, mais elle aide à affiner les limites théoriques de leur masse.

Ces recherches sont encore au stade préliminaire, mais l’astronomie des ondes gravitationnelles continue de progresser. Avec l’amélioration des détecteurs dans les années à venir, il est possible que des étoiles à neutrons de faible masse soient finalement observées, ou que l’on prouve qu’elles ne peuvent tout simplement pas exister.

Brice Louvet

Rédigé par Brice Louvet

Brice est un journaliste passionné de sciences. Ses domaines favoris : l'espace et la paléontologie. Il collabore avec Sciencepost depuis près d'une décennie, partageant avec vous les nouvelles découvertes et les dossiers les plus intéressants.