Un cuisinier goûte de minuscules morceaux aux différents bords de l'assiette et tente de reconstituer la recette d'un plat complexe. Chaque morceau ne donne qu'un indice sur la saveur, et en plus les échantillons sont un peu flous – tantôt trop salés, tantôt pas assez sucrés. C'est à peu près ainsi que les physiciens nucléaires étudient la matière à l'intérieur des étoiles à neutrons – les objets les plus denses de l'Univers après les trous noirs. Ces étoiles ont la taille d'une ville mais la masse du Soleil, et elles sont composées principalement de neutrons serrés les uns contre les autres si étroitement qu'une cuillère à café de leur matière pèserait des milliards de tonnes.
Impossible de regarder directement à l'intérieur d'une telle étoile. À la place, les scientifiques construisent des modèles mathématiques décrivant comment la matière nucléaire se comporte sous des pressions colossales. Ces modèles sont appelés équations d'état. Mais le problème, c'est que les calculs à l'échelle microscopique contiennent toujours du bruit – des erreurs aléatoires qui s'accumulent et faussent le tableau final. Les auteurs de l'étude ont trouvé une solution élégante : ils ont créé le programme GPDiff, qui agit comme un dégustateur intelligent. Il prend de nombreuses « dégustations » imprécises – les résultats de calculs complexes pour différentes combinaisons de protons et de neutrons – et, grâce à une technique mathématique particulière (les processus gaussiens), les assemble en une surface lisse et cohérente. Et le programme ne se contente pas de prédire la pression à une densité donnée ; il sait aussi calculer les dérivées – c'est-à-dire montrer à quelle vitesse la pression change si l'on augmente légèrement la densité. C'est important, car ce sont précisément les dérivées qui renseignent sur la rigidité de la matière : à quel point l'étoile résiste à la compression.
Lors de leur premier test, les chercheurs ont appliqué GPDiff à des calculs de matière nucléaire asymétrique – un mélange de protons et de neutrons où l'un des types de particules est plus nombreux que l'autre. Ils ont analysé des données allant jusqu'à des densités deux fois supérieures à celle d'un noyau atomique (celle à laquelle les noyaux sont stables). Ils ont ainsi pu non seulement affiner la variation de l'énergie de symétrie – le paramètre qui rend compte de la différence de comportement entre protons et neutrons – mais aussi déterminer la densité à laquelle la croûte d'une étoile à neutrons cède la place au noyau. C'est comme calculer précisément le moment où la pâte cesse d'être collante et devient élastique – mais à l'échelle d'un objet cosmique.
L'outil s'est révélé polyvalent : il peut également s'appliquer à la matière chaude produite lors de la fusion d'étoiles à neutrons. Et surtout, il permet pour la première fois de reporter correctement les incertitudes des calculs microscopiques sur les propriétés macroscopiques des étoiles. Auparavant, les scientifiques devaient souvent deviner à quel point une prédiction était fiable. Désormais, ils n'ont plus seulement une recette, mais une recette avec des tolérances – comme dans un bon livre de cuisine où il est écrit : « sel – 5 grammes ± 0.2 ».
Si l'on pouvait placer une étoile à neutrons dans une cuillère à café, cette cuillère pèserait autant que tous les humains sur Terre réunis.
Dans le roman « L'Œuf du dragon » de Robert Forward, la vie est décrite à la surface d'une étoile à neutrons, où, en raison de la gravité monstrueuse, toutes les créatures sont aplaties en galettes, et le temps s'écoule des centaines de fois plus vite.