Neutron Star vs Quark Star in the Multimessenger Era

Au cœur même de l'univers, là où la gravité écrase la matière à des densités impossibles à recréer sur Terre, se trouvent les objets les plus extrêmes connus de la science : les étoiles compactes. Ce sont les vestiges d'étoiles massives qui se sont effondrées sous leur propre poids, empaquetant plus de masse que notre Soleil dans une sphère de seulement quelques dizaines de kilomètres de large. Pendant des décennies, les astronomes ont débattu de leur composition. La vision standard soutient qu'il s'agit d'étoiles à neutrons, des amas cosmiques où les protons et les électrons ont été pressés ensemble pour former des neutrons, créant un fluide si dense qu'une seule cuillère à café pèserait un milliard de tonnes. Cependant, une idée concurrente suggère que sous une telle pression extrême, même les neutrons pourraient se briser en leurs blocs fondamentaux — les quarks — créant une étoile entièrement composée d'une soupe de quarks étranges et à flux libre. Cette question de savoir si ces étoiles sont faites de neutrons ou de quarks n'est pas seulement une question de classification ; elle touche aux lois mêmes de la physique qui régissent la manière dont la matière se comporte à son niveau le plus extrême.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université Jiao Tong de Shanghai apporte une perspective fraîche à ce puzzle ancien en traitant l'univers comme un gigantesque laboratoire. Au lieu de supposer que toutes ces étoiles effondrées sont identiques, l'équipe a utilisé une méthode statistique puissante pour analyser les données provenant de multiples sources, y compris les ondes gravitationnelles issues de collisions d'étoiles et les mesures précises des pulsars provenant des télescopes à rayons X de la NASA. Ils ont posé une question simple mais profonde : si nous examinons toute la famille des étoiles compactes observées, appartiennent-elles toutes à une seule espèce, ou existe-t-il deux types distincts vivant côte à côte ? En comparant les données observées aux prédictions de trois scénarios différents — un scénario où chaque étoile est une étoile à neutrons, un où chaque étoile est une étoile à quarks, et un où les deux types coexistent — les chercheurs ont découvert que l'univers est probablement plus diversifié qu'on ne le pensait auparavant.

Les chercheurs ne se sont pas appuyés sur une théorie unique de la façon dont la matière se comporte à l'intérieur de ces étoiles. Au lieu de cela, ils ont construit un modèle flexible, basé sur les données, capable de s'adapter à ce que les observations suggéraient, permettant ainsi aux données de parler d'elles-mêmes. Ils ont alimenté ce modèle avec des informations provenant de six objets célestes spécifiques : quatre pulsars dont les tailles et les masses ont été mesurées avec une grande précision, et les deux étoiles impliquées dans le célèbre événement d'ondes gravitationnelles GW170817, qui a fourni des indices sur la facilité avec laquelle ces étoiles peuvent être écrasées. Ils ont également inclus les limites théoriques sur le comportement de la matière à des densités incroyablement élevées, dérivées de notre meilleure compréhension de la physique des particules. L'équipe a ensuite testé chaque combinaison possible de ces six étoiles, en demandant si chacune d'elles était une étoile à neutrons ou une étoile à quarks, afin de voir quel arrangement global correspondait le mieux aux données.

Les résultats ont fortement pointé vers un scénario à « deux familles ». Dans le cas le plus probable, l'univers contient deux branches distinctes d'étoiles compactes. Les étoiles les plus lourdes, les plus massives, appartiennent à une famille, tandis que les plus légères appartiennent à une autre. Plus précisément, l'étude suggère que le pulsar le plus massif observé, connu sous le nom de PSR J0740+6620, est probablement une étoile à quarks étranges — un objet auto-lié composé entièrement de quarks déconfinés. En revanche, les cinq autres étoiles de l'échantillon, y compris les deux qui sont entrées en collision pour créer les ondes gravitationnelles, sont mieux décrites comme des étoiles à neutrons traditionnelles. Cette découverte est significative car elle résout une tension de longue date en astrophysique. On s'attend à ce que les étoiles à neutrons aient une limite de taille maximale ; si elles deviennent trop lourdes, elles devraient s'effondrer en trous noirs. Pourtant, nous observons des pulsars qui sont presque deux fois plus massifs que le Soleil. Si toutes les étoiles étaient des étoiles à neutrons, leur structure interne devrait être incroyablement rigide pour supporter un tel poids, mais cette rigidité les rendrait trop volumineuses pour correspondre aux mesures de taille des étoiles plus petites. En permettant à l'étoile la plus lourde d'être un type d'objet entièrement différent, l'étude offre une solution naturelle : l'étoile lourde est une étoile à quarks, qui peut être beaucoup plus massive et compacte, tandis que les étoiles plus légères restent des étoiles à neutrons avec une structure plus souple et flexible.

L'étude a également révélé comment la vitesse du son voyage à travers la matière à l'intérieur de ces étoiles, une propriété qui nous indique si le matériau est rigide ou souple. Dans le scénario où toutes les étoiles sont des étoiles à neutrons, la vitesse du son présente un pic net et inattendu à certaines densités, une caractéristique qui intrigue les physiciens depuis des années. Cependant, dans le scénario privilégié des deux familles, ce pic disparaît. Au lieu de cela, la vitesse du son augmente régulièrement puis se stabilise, un comportement plus fluide qui s'aligne mieux avec les attentes théoriques concernant la manière dont la matière devrait agir sous une telle pression écrasante. Cela suggère que la structure interne d'une étoile à neutrons est fondamentalement différente de celle d'une étoile à quarks, et que l'univers ne force pas toutes les étoiles compactes dans un moule unique.

Bien que les preuves ne soient pas encore absolues, le poids statistique des données favorise cette population mixte. Les chercheurs ont calculé que le scénario des deux familles est environ six fois plus probable que le scénario où toutes les étoiles sont des étoiles à quarks up-down, et nettement plus probable que le scénario où toutes les étoiles sont des étoiles à neutrons. Ce niveau de confiance est décrit comme une « évidence modérée », ce qui signifie que les données pointent fortement dans cette direction mais laissent de la place aux observations futures pour affiner le tableau. La classification de l'étoile la plus lourde en tant qu'étoile à quarks a également des implications profondes pour la nature même de la matière. Cela soutient l'hypothèse selon laquelle la matière étrange pourrait être la forme de matière la plus stable de l'univers, pouvant exister dans un état qui ne se désintègre jamais. Si cela est vrai, cela pourrait signifier que de minuscules fragments de cette matière étrange, appelés strangelets, auraient pu survivre depuis l'univers primordial et pourraient même constituer une forme de matière noire, bien que cela reste une possibilité spéculative.

L'étude a également testé la sensibilité de ces conclusions à la manière dont les astronomes interprètent les données d'un pulsar spécifique, PSR J0030+0451. Selon le modèle utilisé pour analyser les points chauds à la surface de cette étoile, la classification de ce pulsar particulier pourrait basculer entre une étoile à neutrons ou une étoile à quarks. Cependant, l'identification de l'étoile la plus lourde, PSR J0740+6620, comme une étoile à quarks est restée robuste à travers tous les modèles testés. Cette stabilité suggère que la distinction entre les deux familles est une caractéristique réelle du cosmos, et non un simple artefact de la mesure d'un objet spécifique. À mesure que de nouveaux télescopes et détecteurs d'ondes gravitationnelles entreront en service, ils fourniront des données encore plus précises, confirmant potentiellement si ces deux familles d'étoiles coexistent réellement dans la nuit étoilée, révélant une population de vestiges stellaires plus complexe et variée que nous ne l'avions jamais imaginée.