Les étoiles à neutrons — vestiges de supernovae — sont parmi les objets les plus denses de l'Univers. Leur densité centrale dépasse de plusieurs fois la densité nucléaire, et leur gravité n'est surpassée que par les trous noirs. C'est pourquoi les étoiles à neutrons servent de laboratoire idéal pour tester la physique fondamentale : du comportement de la matière à des densités supranucléaires aux propriétés de la matière noire issue du Big Bang. Ces amas cosmiques de matière sont comme des perles nées dans le feu des supernovae, et chacune d'elles pourrait receler un secret sombre.

Une étoile à neutrons est semblable à une perle qui se forme dans les profondeurs du cosmos obscur. Les particules de matière noire agissent comme des impuretés capables soit d'ajouter une épaisse couche de nacre à la surface de l'étoile, soit de se rassembler au centre pour former un grain sombre. C'est précisément ce que montre la nouvelle étude : selon la masse des particules, la matière noire forme soit un halo étendu autour de l'étoile, soit un noyau compact en son sein. Pour décrire ce phénomène, les scientifiques ont utilisé un modèle à deux fluides, où les composantes nucléaire et sombre n'interagissent que par la gravité. L'équation d'équilibre hydrostatique pour un tel système ressemble à l'équation de Tolman-Oppenheimer-Volkoff modifiée, mais chaque fluide maintient sa propre pression, et la courbure de l'espace-temps réagit à la masse totale.

L'influence de la matière noire dépend crucialement de la masse de ses particules. La matière noire légère (0,2–0,3 GeV) forme un halo diffus, augmentant le rayon effectif de l'étoile. Cela ressemble à une épaisse couche de nacre qui rend la perle plus grosse et plus vulnérable aux forces de marée externes. La déformabilité de marée Λ, proportionnelle à la cinquième puissance du rayon, augmente fortement, et de telles configurations sont sévèrement contraintes par les données de l'événement d'ondes gravitationnelles GW170817, détecté par les interféromètres LIGO, dont la création a valu à Rainer Weiss le prix Nobel. La matière noire lourde (>0,7 GeV), en revanche, se concentre en un noyau compact — comme un grain sombre au cœur de la perle — rendant l'étoile plus petite et réduisant Λ. Ici, les principales contraintes viennent des mesures de masse et de rayon du télescope à rayons X NICER, qui utilise la spectroscopie du rayonnement des pulsars, découverts à l'époque par Jocelyn Bell Burnell. L'analyse statistique a permis d'établir que pour la matière noire légère, sa fraction admissible ne dépasse pas 11%. C'est une estimation conservatrice, indépendante des modèles spécifiques au-delà du modèle standard.

Ce travail ouvre une nouvelle voie dans la recherche de la matière noire, dont les prémices ont été posées par les observations de Vera Rubin sur la rotation des galaxies, qui ont révélé une masse cachée. L'approche agnostique, basée sur l'interpolation de la vitesse du son entre les régimes limites, évoque l'accordage d'un instrument de musique complexe, où chaque corde est une équation d'état possible et les harmoniques sont les données d'observation. La contrainte que la vitesse de la lumière est la limite supérieure pour la vitesse du son joue le rôle d'un diapason, éliminant les scénarios non physiques. À l'avenir, les nouvelles données des antennes à ondes gravitationnelles de prochaine génération et des observatoires à rayons X, tels qu'Athena ou STROBE-X, permettront de scruter le cœur même de ces perles — peut-être pour y découvrir un grain sombre.