En 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré le frémissement de l'espace-temps dû à la collision de deux fusion d'étoiles à neutrons — l'événement GW170817. Au premier sursaut a succédé une résonance : des oscillations kilohertz du résidu hyperdense tout juste formé. Ce signal n'est pas un simple bruit, mais la voix de la matière elle-même, comprimée jusqu'à des limites inimaginables. Sa hauteur et son intensité dépendent directement de la façon dont la matière résiste à la compression — de sa vitesse du son.
La vitesse du son dans les milieux ordinaires est familière : plus le matériau est rigide, plus l'onde s'y propage vite. Pour une étoile à neutrons, la rigidité détermine l'équation d'état — la relation entre pression et densité. À des densités supérieures à la densité nucléaire (2.6×$10^{14}$ g/cm³), cette équation reste encore une énigme. Au cœur de l'étoile, la vitesse du son peut atteindre 95% de la vitesse de la lumière — presque la limite cosmique. Dès 1915, Albert Einstein avait prédit les ondes gravitationnelles dans le cadre de la relativité générale. Et en 1916, Karl Schwarzschild trouva la première solution exacte des équations de champ, posant les bases de la théorie des objets compacts. La confirmation de l'existence des étoiles à neutrons eut lieu en 1967, lorsque Jocelyn Bell Burnell découvrit les pulsars.
Pour entendre la voix des profondeurs, les astrophysiciens ont construit des symphonies numériques — des simulations de fusions avec différents profils de rigidité. En faisant varier la pente du carré de la vitesse du son, ils ont suivi comment le signal ondes gravitationnelles change après la collision. Il s'est avéré que la fréquence du pic augmente presque linéairement avec la rigidité, mais devient non monotone aux valeurs extrêmes. Une matière trop molle conduit à un effondrement rapide en trou noir, tandis qu'une matière trop rigide provoque un faible rebond et une éjection maigre.
Le paramètre de réponse de marée ˜D est particulièrement intrigant : il accumule la contribution de la vitesse du son sur tout le volume de l'étoile. Sa relation avec la fréquence sans dimension s'est avérée presque universelle pour différentes équations d'état. Cela signifie que les ondes gravitationnelles sondent des densités inaccessibles aux mesures de marée lors de la phase d'approche de l'étoile binaire. Les futurs détecteurs, comme Einstein Telescope, pourront capter les tonalités kilohertz des fusions et imposer en temps réel des contraintes sur la rigidité de la matière nucléaire.
À terme, les simulations multidimensionnelles avec transitions de phase — des hadrons aux quarks — promettent une mélodie encore plus pure. D'ores et déjà, il est clair qu'en fusionnant, les étoiles à neutrons chantent leur structure interne, et le prochain concert enregistré par le réseau de détecteurs pourrait révéler la nature de la matière la plus dense de l'Univers. Qu'entendrons-nous ? La résonance née dans la forge stellaire des éléments.
Une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèse autant que le mont Everest — environ un milliard de tonnes. Et la vitesse du son dans cette matière peut atteindre 95 % de la vitesse de la lumière : un signal sonore traverserait un tel objet de la taille d'une ville plus vite qu'un clin d'œil.
Dans le roman de Robert Forward « L'Œuf du dragon », la vie à la surface d'une étoile à neutrons est décrite, où la gravité monstrueuse et la matière superfluide créent un monde totalement étranger. Les estimations de la vitesse du son de notre article pourraient servir de fond musical à une telle histoire.