La matière la plus extrême de l'univers

Dans les premières microsecondes après le Big Bang, l'univers était si chaud et si dense que les quarks et les gluons — les constituants fondamentaux des protons et des neutrons — ne pouvaient pas se lier ensemble en particules composites. Au lieu de cela, ils existaient sous forme d'un plasma en libre circulation, un état de la matière si exotique qu'il n'a été brièvement recréé sur Terre que lors de collisions d'ions lourds dans des installations comme le Grand collisionneur de hadrons du CERN et le Relativistic Heavy Ion Collider de Brookhaven, où les noyaux d'or ou de plomb sont écrasés ensemble à près de la vitesse de la lumière pour recréer brièvement les conditions de l'univers primordial.

Au fur et à mesure que l'univers s'est refroidi, ce plasma quark-gluon a subi une transition de phase, et les quarks sont devenus confinés de manière permanente dans les protons et les neutrons. Il n'a pas existé librement dans l'univers depuis. Ou du moins, c'est ce que les physiciens pensaient. De nouveaux travaux théoriques et des preuves observationnelles convergent vers une possibilité remarquable : le plasma quark-gluon, ou une phase de matière de quark étroitement apparentée, pourrait exister aujourd'hui dans les noyaux des étoiles à neutrons, où les densités atteintes par la compression gravitationnelle rivalisent ou dépassent celles auxquelles le confinement des quarks s'effondre.

Les étoiles à neutrons comme laboratoires de physique naturels

Les étoiles à neutrons sont les vestiges d'explosions stellaires massives — des objets typiquement massifs entre 1,4 et 2,3 fois la masse du Soleil comprimée dans une sphère d'environ 20 kilomètres de diamètre. Les densités au cœur de ces étoiles sont extraordinaires, atteignant plusieurs fois la densité des noyaux atomiques. Dans ces conditions, le comportement de la matière nucléaire dense est gouverné par la chromodynamique quantique dans un régime où les calculs sont extrêmement difficiles et où nos connaissances expérimentales sont limitées.

Aux plus hautes densités, les modèles théoriques divergent dramatiquement. Certains prédisent que la matière nucléaire reste sous forme de matière ordinaire de neutrons et de protons. D'autres prédisent une transition vers la matière de quark, où les quarks individuels deviennent déconfinés de leurs hôtes de nucléons et s'écoulent relativement librement dans l'intérieur de l'étoile — un analogue froid et dense du plasma quark-gluon qui existait dans le jeune univers chaud.

Le chemin observationnel vers la preuve

La clé est l'équation d'état : la relation mathématique entre la pression et la densité à l'intérieur de l'étoile qui détermine sa masse, son rayon et sa déformabilité de marée. Les différents modèles de matière d'étoile à neutrons prédisent des équations d'état différentes et donc des propriétés stellaires observables différentes.

Les observations d'ondes gravitationnelles provenant de fusions d'étoiles à neutrons, commençant par l'événement de référence GW170817 en 2017, ont déjà limité considérablement l'équation d'état. La mesure de la déformabilité de marée de cet événement — combien chaque étoile à neutrons se déforme dans le champ gravitationnel de l'autre avant la collision — écarte les équations d'état les plus rigides et les plus souples, réduisant la gamme des structures intérieures autorisées. Les futures observations d'ondes gravitationnelles avec des détecteurs améliorés, combinées aux mesures du rayon des étoiles à neutrons du télescope X NICER, pourraient réduire davantage la gamme autorisée — potentiellement jusqu'au point où la présence ou l'absence d'un noyau de matière de quark devient discernable.

Pourquoi cela importe

La question de savoir si la matière de quark existe dans les étoiles à neutrons n'est pas purement académique. Si les cœurs de matière de quark sont confirmés, cela représenterait une profonde connexion entre la physique de l'univers primordial et la physique des objets les plus denses de l'univers actuel. Le Big Bang et l'intérieur du reste de chaque étoile massive partageraient une forme fondamentale de matière — une continuité qui témoigne de l'unité profonde de la loi physique dans les conditions extrêmes.

En pratique, la matière de quark dans les étoiles à neutrons affecterait la façon dont ces étoiles se comportent lors des fusions, la vitesse à laquelle elles refroidissent après leur formation, et ce qui se passe lors des dernières secondes violentes avant que deux étoiles à neutrons ne se heurtent et ne forment potentiellement un trou noir. Comprendre ces détails est important pour interpréter les signaux d'ondes gravitationnelles et électromagnétiques provenant des fusions d'étoiles à neutrons — des signaux qui fournissent nos meilleures mesures actuelles de la constante de Hubble et qui contiennent des informations sur l'origine astrophysique des éléments lourds, dont l'or et le platine.

La route à suivre

La prochaine génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles — Einstein Telescope en Europe et Cosmic Explorer aux États-Unis — observera les fusions d'étoiles à neutrons avec une sensibilité et une cadence plusieurs ordres de grandeur au-delà des instruments actuels. Combinées aux observations continues de NICER et aux télescopes X de nouvelle génération, elles généreront l'ensemble de données nécessaire pour confirmer ou exclure définitivement la matière de quark dans les intérieurs des étoiles à neutrons. Dans la prochaine décennie, l'une des questions les plus anciennes de la physique — ce qui arrive finalement à la matière sous la compression la plus extrême — pourrait enfin avoir une réponse observationnelle.

Cet article est basé sur les rapports de Space.com. Lire l'article original.