Une relique de la création au cœur des étoiles effondrées

Les étoiles à neutrons figurent parmi les objets les plus extrêmes de l'univers connu. Nées de l'effondrement violent des noyaux stellaires massifs lors d'explosions de supernova, elles concentrent une masse supérieure à celle du Soleil dans une sphère d'environ la taille d'une ville, produisant des densités si extrêmes que la nature même de la matière qui les compose reste incertaine. Désormais, un corpus croissant de preuves théoriques et observationnelles suggère que les noyaux des étoiles à neutrons pourraient contenir un état de la matière qui n'existe plus librement depuis que l'univers avait une microseconde : le plasma quark-gluon, la substance primordiale du Big Bang.

Le plasma quark-gluon est la phase de la matière qui existait lorsque l'univers avait moins d'un millionième de seconde et des températures dépassant les trillions de degrés. Dans ces conditions, les quarks — les constituants fondamentaux des protons et neutrons — ne sont pas confinés à l'intérieur des particules composites mais existent librement dans un fluide chaud et dense aux côtés des gluons, les particules qui médient la force nucléaire forte. À mesure que l'univers refroidissait, les quarks se confinaient de façon permanente à l'intérieur des protons, neutrons et autres hadrons, et le plasma quark-gluon cessait d'exister en tant que 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 nucléons individuels, recréant les conditions où les quarks circulent librement — une forme froide et dense de matière de quarks distincte du plasma chaud de l'univers primaire mais gouvernée par la même physique fondamentale. Confirmer cela représenterait l'une des découvertes les plus importantes en astrophysique et en physique nucléaire de l'époque moderne.

Les preuves jusqu'à présent

Les preuves de la matière de quarks à l'intérieur des étoiles à neutrons proviennent de directions indirectes multiples, aucune individuellement concluante. Les contraintes les plus puissantes proviennent des observations d'ondes gravitationnelles des 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 — notamment à quel point elles sont déformables dans le champ gravitationnel mutuel, une propriété appelée déformabilité de marée. Les déformabilités de marée mesurées de l'événement GW170817 ont contraint l'équation d'état de l'étoile à neutrons de manière que certains modèles théoriques suggèrent être mieux expliquée par la présence de matière de quarks 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, rétrécissant l'éventail des compositions internes plausibles. Les données actuelles de NICER n'identifient pas définitivement la matière de quarks, mais elles sont compatibles 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 régissant les interactions entre quarks et gluons — peut être résolue numériquement en utilisant des méthodes QCD sur réseau aux densités trouvées dans les noyaux atomiques et aux densités extrêmes du plasma quark-gluon de l'univers primaire, 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 du calcul.

Comment les scientifiques pensent pouvoir le prouver

Le chemin pour confirmer la matière de quarks dans les étoiles à neutrons passe par des améliorations de la sensibilité des détecteurs 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 — Einstein Telescope en Europe et Cosmic Explorer aux États-Unis — observera les fusions d'étoiles à neutrons avec une sensibilité considérablement améliorée, mesurant potentiellement le signal d'onde gravitationnelle post-fusion que les détecteurs actuels ne peuvent pas encore détecter et qui porte des informations sur ce qui advient de la matière de quarks lors de la collision violente et du processus de fusion.

Le signal post-fusion est particulièrement informatif car il dépend du comportement de la matière à des densités dépassant sensiblement celles des étoiles pré-fusion. Si la matière de quarks est présente et subit une transition de phase lors de la fusion — passant de la matière nucléaire ordinaire à la matière de quarks déconfinée à mesure que la densité atteint son pic — le contenu en fréquence de l'onde gravitationnelle porterait des signatures distinctives de cette transition. Les prédictions théoriques sur l'apparence de 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 relativiste de Brookhaven créent du plasma quark-gluon en miniature pendant des fractions de seconde, fournissant des données expérimentales sur les propriétés de la matière de quarks à hautes températures qui peuvent contraindre les extrapolations au régime haute densité, basse température pertinent pour les intérieurs des étoiles à neutrons. Le pont théorique entre ces régimes n'est pas parfait mais s'améliore au fur et à mesure de l'avancée de la théorie nucléaire.

Ce que cela signifierait pour la physique

Confirmer la matière de quarks à l'intérieur des étoiles à neutrons serait un résultat remarquable 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 reliant 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 problèmes centraux ouverts de l'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 lors de fusions et de nucléosynthèse par processus r lors de fusions d'étoiles à neutrons, responsable de la production de la majorité de l'or, du platine et autres éléments lourds de 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 la physique qui ne peut pas être créée et étudiée directement sur Terre, faisant du projet de caractérisation des intérieurs 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 les reportages de Space.com. Lisez l'article original.