Lorsqu'une étoile massive explose en supernova, il reste une boule ultra-dense : une étoile à neutrons. Elle a la taille d'une ville, mais pèse plus que le Soleil. Si le résidu était un peu plus lourd, il se transformerait en trou noir. Autour de ces étoiles, une mystérieuse matière noire peut s'accumuler — une substance invisible qui, selon les calculs de l'astronome Vera Rubin, est apparue après le Big Bang et remplit le cosmos.

Imaginez une boule de neige qui roule dans différentes poudres. Une poudre légère colle à l'extérieur, la rendant duveteuse et plus grosse. Des billes métalliques lourdes, au contraire, s'enfoncent vers le centre, formant une masse compacte. C'est à peu près ainsi que la matière noire se comporte à l'intérieur d'une étoile à neutrons. Les particules légères créent un halo diffus, gonflant l'étoile, tandis que les plus lourdes s'accumulent en un minuscule noyau, la comprimant.

Les scientifiques ont étudié comment ces transformations se reflètent dans les observations. Un halo gonflé rend l'étoile plus malléable : elle se comprime et s'étire davantage sous le champ gravitationnel d'une voisine. Cela se mesure grâce aux ondes gravitationnelles — ces ondulations de l'espace captées pour la première fois par des détecteurs conçus par Rainer Weiss. En revanche, un noyau sombre et dense réduit l'étoile, ce qui peut être observé en rayons X par spectroscopie (analyse du rayonnement). Il s'avère que pour la matière noire légère, sa proportion ne peut pas dépasser environ 11%, sinon l'étoile deviendrait trop grande. Les particules plus lourdes sont autorisées en plus grande quantité.

Cette approche ne nécessite pas de connaître précisément la nature de la matière noire : elle fonctionne pour presque toutes les théories au-delà du modèle standard de la physique. Ainsi, l'observation des étoiles à neutrons devient un détecteur universel de la matière invisible.