Découverte d’un nouveau type de matière à l’intérieur des étoiles à neutrons
Des astrophysiciens ont trouvé la preuve de l’existence d’une étrange substance appelée quark matter (« matière quark”) au cœur d’étoiles extrêmement denses. En combinant des calculs théoriques récents avec des mesures d’ondes gravitationnelles provenant de collisions d’étoiles à neutrons, les chercheurs ont découvert que les plus massives ont très probablement un « cœur de quark » (quark cores).
Image d’entête : représentation artistique des couches d’une étoile à neutrons, y compris le cœur de quark. (CSC/ IT Center for Science)
Dans la matière normale, les particules élémentaires appelées quarks sont uniquement présentes à l’intérieur des protons et des neutrons. Mais si cette matière normale est soumise à des températures extrêmes, ou si elle est agglomérée en très haute densité, elle peut « fondre », ce qui donne aux quarks la liberté de se déplacer n’importe où dans cette matière. Ce nouvel état exotique est connu sous le nom de « matière quark ».
On pense qu’une forme de cette étrange substance appelée plasma quarks-gluons a rempli l’univers environ 20 microsecondes après le Big Bang, se comportant comme un liquide immensément chaud avant de se refroidir dans la matière ordinaire qui remplit l’univers aujourd’hui. De nos jours, les seuls endroits où l’on trouve de la matière quark sont (brièvement) les collisions de particules au Grand collisionneur de hadrons, et peut-être au cœur des étoiles à neutrons.
Lorsque certaines étoiles meurent, leur noyau s’effondre pour devenir soit un trou noir, soit une étoile à neutrons. Dans ce dernier cas, ce nouvel objet entasse plus que la masse du Soleil dans un espace de la taille d’une ville. Cela crée évidemment une densité extrême de matière, qui a été longtemps théorisée comme donnant naissance à la matière quark.
Pour cette nouvelle étude, les chercheurs de l’université d’Helsinki affirment maintenant avoir des noyaux de matière quark confirmés dans certaines étoiles à neutrons. En particulier celles qui ont les plus grandes masses, deux fois supérieures à celle du Soleil ou plus.
On pensait auparavant que deux masses solaires constituaient la limite supérieure absolue pour les étoiles à neutrons. Une masse plus importante, et l’étoile d’origine se serait plutôt effondrée en un trou noir. Mais les astronomes ont récemment découvert quelques étoiles à neutrons qui dépassent cette « limite ».
Selon la nouvelle étude, c’est dans ces étoiles que l’on trouve des noyaux de quark. Dans certains cas, les quarks peuvent même constituer plus de la moitié de l’étoile à neutrons elle-même.
Pour arriver à cette conclusion, l’équipe a calculé “l’équation d’état » de la matière dans les étoiles à neutrons. Cette équation décrit ce que serait la matière dans une étoile à neutrons, en se basant sur la relation entre la pression et la densité d’énergie. Selon la relativité générale, on peut la calculer en utilisant une relation entre toutes les tailles et masses possibles des étoiles à neutrons.
Et récemment, les astronomes ont eu une idée beaucoup plus précise de la taille et de la masse des étoiles à neutrons. En particulier, des collisions entre les étoiles à neutrons ont été détectées par les instruments LIGO et Virgo (lien ci-dessous) sous la forme d’ondes gravitationnelles. Les informations encodées dans ces signaux peuvent révéler beaucoup de choses sur les objets qui les ont produites.
Dans l’ensemble, les vagues de nouvelles données ont permis à l’étude d’être aussi précise que possible. Les chercheurs disent avoir « presque certainement » découvert la matière quark, mais ils reconnaissent également qu’il est possible qu’ils se trompent. Celle-ci ne représente que l’explication la plus simple.
Selon Aleski Vuorinen, auteur principal de l’étude :
Il y a encore une petite chance, mais non nulle, que toutes les étoiles à neutrons soient composées de matière nucléaire uniquement. Ce que nous avons pu faire, cependant, c’est quantifier ce que ce scénario exigerait. En bref, le comportement de la matière nucléaire dense devrait alors être vraiment particulier. Par exemple, la vitesse du son devrait atteindre presque celle de la lumière.
Des données supplémentaires sur les étoiles à neutrons, qui ne cessent d’affluer, permettront d’affiner encore ces calculs.
L’étude publiée dans Nature Physics : Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars et présentés sur le site de l’université d’Helsinki : Finnish researchers have discovered a new type of matter inside neutron stars.
