La Matière du Big Bang Pourrait Exister à l'Intérieur des Étoiles à Neutrons

Une Relique de la Création au Cœur des Étoiles Effondrées

Les étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus extrêmes de l'univers connu. Nées de l'effondrement violent des noyaux stellaires massifs lors d'explosions de supernovas, elles compriment une masse plus grande que celle du Soleil dans une sphère approximativement de la taille d'une ville, produisant des densités si extrêmes que la nature même de la matière en leur interior est incertaine. Maintenant, un ensemble croissant de preuves théoriques et observationnelles suggère que les noyaux des étoiles à neutrons pourraient contenir un état de la matière non vu librement depuis que l'univers avait une microseconde : le plasma de quark-gluon, la matière primordiale du Big Bang.

Le plasma de quark-gluon est la phase de la matière qui existait lorsque l'univers était plus jeune qu'un millionième de seconde et que les températures dépassaient des billions de degrés. Dans ces conditions, les quarks — les constituants fondamentaux des protons et des neutrons — ne sont pas confinés à l'intérieur de particules composites mais existent librement dans un bouillon chaud et dense avec des gluons, les particules qui médiatisent la force nucléaire forte. À mesure que l'univers s'est refroidi, les quarks sont restés confinés de façon permanente à l'intérieur des protons, des neutrons et d'autres hadrons, et le plasma de quark-gluon a cessé d'exister comme une phase libre dans les conditions naturelles.

Sauf, potentiellement, à l'intérieur des étoiles à neutrons. Les calculs suggèrent que les noyaux des étoiles à neutrons pourraient atteindre des densités suffisamment élevées pour dissoudre les frontières entre les nucléons individuels, recréant les conditions où les quarks errent librement — une forme froide et dense de matière de quark distincte du plasma chaud de l'univers primitif mais gouvernée par la même physique fondamentale. Confirmer cela représenterait l'une des découvertes les plus importantes en astrophysique et physique nucléaire à l'ère moderne.

Les Preuves Jusqu'À Présent

Les preuves de la matière de quark à l'intérieur des étoiles à neutrons proviennent de multiples directions indirectes, aucune n'étant concluante par elle-même. Les contraintes les plus puissantes proviennent des observations d'ondes gravitationnelles de fusions d'étoiles à neutrons par LIGO et Virgo. Lorsque deux étoiles à neutrons spiralent ensemble et fusionnent, les ondes gravitationnelles qu'elles émettent contiennent des informations sur la structure interne des étoiles — spécifiquement leur déformabilité dans le champ gravitationnel mutuel, une propriété appelée déformabilité de marée. Les déformabilités de marée mesurées à partir de l'événement remarquable GW170817 ont limité l'équation d'état de l'étoile à neutrons de manières que certains modèles théoriques suggèrent être expliquées plus naturellement par la présence de matière de quark dans les noyaux stellaires.

Les observations en rayons X des masses et des rayons des étoiles à neutrons fournissent des contraintes complémentaires. L'instrument NICER sur la Station spatiale internationale a mesuré les tailles de plusieurs étoiles à neutrons avec une précision suffisante pour contraindre leur structure interne. Les mesures combinées de masse et de rayon peuvent exclure certaines équations d'état théoriques et en favoriser d'autres, réduisant la gamme de compositions internes plausibles. Les données actuelles de NICER n'identifient pas de manière concluante la matière de quark, mais elles sont cohérentes avec sa présence dans les étoiles à neutrons les plus denses connues.

Le défi est que l'intérieur d'une étoile à neutrons est inaccessible à l'observation directe, et les calculs théoriques du comportement de la matière aux densités des étoiles à neutrons sont extraordinairement difficiles. La chromodynamique quantique — la théorie qui gouverne les interactions des quarks et des gluons — peut être résolue numériquement en utilisant des méthodes de QCD sur réseau aux densités trouvées dans les noyaux atomiques et aux densités extrêmes du plasma de quark-gluon de l'univers primitif, mais les densités intermédiaires correspondant aux noyaux des étoiles à neutrons restent dans un régime où les méthodes théoriques actuelles ne sont pas fiables. L'incertitude n'est pas un échec de la physique mais une véritable frontière de calcul.

Comment les Scientifiques Pensent Pouvoir le Prouver

Le chemin vers la confirmation de la matière de quark dans les étoiles à neutrons passe par des améliorations de la sensibilité du détecteur d'ondes gravitationnelles, des mesures plus précises du rayon des étoiles à neutrons et des avancées théoriques dans la compréhension de la matière nucléaire dense. La prochaine génération de détecteurs d'ondes gravitationnelles — le télescope Einstein en Europe et Cosmic Explorer aux États-Unis — observera les fusions d'étoiles à neutrons avec une sensibilité considérablement améliorée, observant potentiellement le signal d'ondes gravitationnelles post-fusion que les détecteurs actuels ne peuvent pas détecter et qui contient des informations sur ce qui se passe avec la matière de quark lors du violent processus de collision et de fusion.

Le signal post-fusion est particulièrement informatif car il dépend du comportement de la matière à des densités considérablement supérieures à celles des étoiles avant la fusion. Si la matière de quark est présente et subit une transition de phase pendant la fusion — passant de la matière nucléaire ordinaire à la matière de quark déconfinée à mesure que la densité atteint son pic — le contenu en fréquence des ondes gravitationnelles porterait des signatures distinctives de cette transition. Les prédictions théoriques de ce à quoi ressembleraient ces signatures constituent un domaine de recherche actif, et les futurs détecteurs pourraient être suffisamment sensibles pour les observer.

Les expériences de laboratoire contribuent également au tableau. Les collisions d'ions lourds dans des installations comme le Grand Collisionneur de Hadrons du CERN et le Collisionneur d'Ions Lourds Relativistes de Brookhaven créent du plasma de quark-gluon en miniature pendant des fractions de seconde, fournissant des données expérimentales sur les propriétés de la matière de quark à des températures élevées qui peuvent contraindre les extrapolations au régime de haute densité, température plus basse relevant des intérieur des étoiles à neutrons. Le pont théorique entre ces régimes est imparfait mais s'améliore à mesure que la théorie nucléaire progresse.

Ce Que Cela Signifierait pour la Physique

Confirmer la matière de quark à l'intérieur des étoiles à neutrons serait un résultat phare pour la physique nucléaire et l'astrophysique simultanément. Cela établirait qu'une phase de matière prédite par la chromodynamique quantique et créée momentanément dans les accélérateurs de particules de laboratoire existe comme composant stable d'objets astronomiques macroscopiques — validant la théorie sur une gamme extraordinaire de conditions et connectant la physique microscopique des quarks à l'astrophysique des objets compacts.

La découverte affinerait également la compréhension de l'équation d'état de l'étoile à neutrons — la relation entre la pression et la densité à l'intérieur de ces objets — qui est l'un des principaux problèmes ouverts en astrophysique nucléaire. Une meilleure équation d'état améliore les modèles d'effondrement de supernova, de formation d'étoiles à neutrons, d'émission d'ondes gravitationnelles à partir de fusions et de nucléosynthèse du processus r dans les fusions d'étoiles à neutrons responsables de la production de la majorité de l'or, du platine et des autres éléments lourds dans l'univers.

Pour les physiciens intéressés par la force nucléaire forte à des densités extrêmes, les étoiles à neutrons sont des laboratoires naturels qu'aucune expérience terrestre ne peut reproduire. Chaque nouvelle contrainte observationnelle sur leur structure interne est une fenêtre sur une physique qui ne peut pas être directement créée et étudiée sur Terre, faisant du projet de caractérisation des intérieur des étoiles à neutrons l'une des intersections les plus productives de l'astrophysique et de la physique fondamentale actuellement poursuivie.

Cet article est basé sur des reportages de Space.com. Lisez l'article original.