équation d'état des étoiles à neutrons

Dans les entrailles des sub-Neptunes, ces planètes les plus nombreuses de la Galaxie mais sur lesquelles on ne peut pas se tenir, le magma silicaté et l'hydrogène se mélangent en un cocktail supercritique unique.

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse un milliard de tonnes. On pourrait croire qu'il n'y a pas de meilleur endroit pour chercher des traces de gravité quantique. Mais entre le laboratoire et l'échelle fondamentale, il y a un gouffre de 10⁸⁰ en densité. Trois portes mènent à cette pièce.

Une étoile à neutrons est ce qui reste après l'explosion d'une étoile massive. La matière y est comprimée si fort qu'une cuillère à café pèserait des milliards de tonnes. Dans ces conditions, les protons et les neutrons peuvent se réarranger, et de nouvelles particules apparaissent – les hypérons, semblables aux neutrons mais contenant un quark « étrange ».

L'interprète sursaute au moindre bruit dans la salle — et une réunion d'une heure s'étire sur deux. Une étoile à neutrons comprime la masse du Soleil dans une sphère de la taille d'une ville, et la matière en son cœur est plus dense que le noyau atomique. Les physiciens ne peuvent pas vérifier sa structure en laboratoire : la pression requise est impossible à créer.

Deux noyaux avec le même nombre de particules, mais avec une forme différente de manteau de neutrons, entrent en collision à une vitesse proche de celle de la lumière. Le ruthénium-96 et le zirconium-96 sont comme deux jumeaux, dont l'un aurait un manteau légèrement plus épais.

La fusion de deux étoiles à neutrons n'est pas qu'une simple collision. Avant même de se toucher, elles se déforment mutuellement sous l'effet des forces de marée, et cette déformation dépend de la « souplesse » ou de la « rigidité » de la matière à l'intérieur. La matière rigide résiste davantage, la matière souple change plus facilement de forme.

Un « pied à coulisse » cosmique va bientôt mesurer une étoile à neutrons avec une précision d'une centaine de mètres. Pour un objet d'une vingtaine de kilomètres de diamètre, c'est comme mesurer l'épaisseur d'un cheveu humain à un kilomètre de distance. Une étoile à neutrons est le vestige d'une supernova explosée.

10¹⁵ gauss — c'est l'intensité du champ magnétique détecté sur certaines naines blanches. C'est des milliards de fois plus fort que ce qu'indique une boussole sur Terre. Une naine blanche n'est pas une étoile au sens habituel, mais un noyau refroidi de la taille d'une planète.

L'explosion d'une supernova éjecte les couches externes de l'étoile mourante. Il ne reste que le noyau — une étoile à neutrons, compactée en une boule de la taille d'une ville. L'existence de telles étoiles a été prédite dès 1934 par Fritz Zwicky.

Une étoile à neutrons est un chaudron bouillonnant de la taille d'une ville, mais avec une masse d'un soleil et demi. Dans ses profondeurs, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques perdent leur sens.

L'eau dans un verre semble continue, mais elle est faite de molécules. C'est un peu ainsi que les physiciens ont longtemps décrit la matière à l'intérieur d'une étoile à neutrons : comme une soupe homogène de protons et de neutrons. Mais les vraies étoiles à neutrons ne sont pas une soupe. C'est une foule dense de particules où chaque neutron sent la présence de ses voisins.

Une cuillère à café bien pleine, et la balance affiche un milliard de tonnes. C'est à peu près ce que pèserait la matière d'une étoile à neutrons si l'on pouvait la prélever et la peser.

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 cœur de chaque étoile à neutrons se cache une symphonie — un entrelacement complexe de champs quantiques et de gravité relativiste.

Les étoiles à neutrons sont les derniers agrégats de matière visible avant la chute dans un trou noir. Dans leurs entrailles, la matière est comprimée à des densités de l'ordre du billion. Là, les forces nucléaires et la gravité s'entrelacent pour former une substance exotique inaccessible à tout accélérateur terrestre.

Une vieille usine où, au lieu de machines-outils, il y a des noyaux atomiques, et où bouillonne un rayonnement neutrino. Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son cœur se compresse d'un facteur cent, et la température grimpe à des milliards de degrés.

Le noyau atomique n'est pas simplement une boule de protons et de neutrons. Il a une forme, et cette forme peut changer. Le noyau d'étain-116 a longtemps été considéré comme une sphère presque parfaite : il possède 50 protons — un nombre « magique » qui confère généralement au noyau une symétrie sphérique.

Le noyau atomique n'est pas un simple mélange de protons et de neutrons. Les particules s'y organisent en couches, comme les spectateurs dans un stade : les rangées du bas sont remplies, et chaque proton ou neutron supplémentaire cherche une place dans les gradins supérieurs.

Les étoiles à bosons sont des atomes gravitationnels. Mais au lieu d'une charge électrique, c'est la gravité elle-même qui sert de noyau, retenant un nuage de champ scalaire en amas quantifiés. Dès les années 1930, F.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était rempli d'un plasma chaud et presque homogène. Mais dans certains endroits, la densité pouvait par hasard être un peu plus élevée. Si un tel amas atteignait une masse critique, il s'effondrait en trou noir — c'est ainsi que naissaient les trous noirs primordiaux.

Un bébé brûlant et un adulte glacial : la même étoile à neutrons se présente différemment selon son âge. À peine née dans l'explosion d'une supernova, elle est portée à des dizaines de milliards de degrés. Mais avec le temps, elle se refroidit et se contracte, comme un métal qui se rétracte en refroidissant.

Les étoiles à neutrons sont l'accord final de l'évolution des étoiles massives. Nées dans le cataclysme d'une supernova, elles compriment une masse comparable à celle du Soleil dans une sphère de la taille d'une métropole terrestre.

Une étoile à neutrons, c'est le vestige d'un géant explosé, compressé jusqu'à la taille d'une ville. Une cuillère à café de sa matière pèse un milliard de tonnes. À l'intérieur, les particules sont si densément tassées que les effets quantiques commencent à se manifester. L'un d'eux est la rotation propre des particules, ou spin.

Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons massive, où une cuillère à café de matière pèse comme une montagne, les quarks sont compressés à une proximité inimaginable.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques cessent d'être des amas distincts. Les neutrons et les protons se rapprochent, et leurs entrailles — les quarks — commencent à sentir leurs voisins à travers les parois de leurs « sacs ».

Un patineur sur glace ramène ses bras contre son corps et sa rotation s'accélère brusquement. Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant et que son noyau s'effondre, un phénomène analogue se produit, mais à l'échelle cosmique.

Deux étoiles ultra-denses tournent l'une autour de l'autre et finissent par entrer en collision. Cette danse ne dure que quelques instants, mais elle génère de puissantes ondulations dans l'espace — les ondes gravitationnelles.

Le cœur d'une étoile à neutrons peut être comparé à une corde tendue à densité supra-nucléaire. Le son qui y court est une oscillation de pression dont la vitesse $$c_s$$ révèle la rigidité de la matière. La nouvelle étude montre que cette corde cosmique ne bourdonne pas de manière monotone.

Une étoile à neutrons est ce qui reste après l'explosion d'une étoile massive. La matière y est si comprimée qu'une cuillère à café pèserait autant qu'une montagne. Mais ce qui se passe réellement dans les profondeurs, où les protons et les neutrons peuvent se désintégrer en quarks, reste une énigme.

Si vous serrez une poignée de sable dans votre poing, il se compacte d'abord, puis commence à résister – les grains n'ont plus de place où aller. Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons, il se passe quelque chose de similaire, mais au lieu de grains de sable, ce sont des particules élémentaires, et au lieu d'une main, c'est une gravité monstrueuse.

On comprime un ressort avec une force terrible. Plus on appuie, plus il devient dense, mais à un moment donné, la compression cesse d'être uniforme – quelque part le ressort cède plus facilement, ailleurs il est plus rigide.

La croûte externe d'une étoile à neutrons ressemble à un gâteau en couches, chaque couche ayant une garniture bien précise. C'est un réseau cristallin de noyaux atomiques baignant dans une mer d'électrons. Plus on descend, plus la pression est forte – et plus les noyaux qui peuvent y exister sans se désintégrer sont lourds.

Dans une salle bondée où des couples tournoient, une vague peut parfois parcourir l'assemblée : certaines paires se dissocient, d'autres se forment, et le mouvement entraîne tout le monde. C'est un peu ainsi que se comporte un nuage dense de neutrinos — ces particules minuscules qui interagissent à peine avec la matière.

Deux pastèques de même poids trônent sur l'étal. L'une est mûre, juteuse, avec une peau épaisse. L'autre semble taillée dans du chêne : à l'intérieur, elle est totalement différente, et il est presque impossible de la comprimer. À première vue, ce sont des jumelles, mais qu'on les tapote – et la différence saute aux yeux.

La densité au centre d'une étoile à neutrons est telle qu'une cuillère à café de sa matière pèserait autant qu'une montagne. Les physiciens cherchent depuis longtemps à comprendre à quel point une telle étoile peut être massive avant de s'effondrer en trou noir.

Lorsqu'une étoile massive meurt et s'effondre en supernova, naît une étoile à neutrons — une sphère de la taille d'une ville, mais avec la masse du Soleil. Sa matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse plus que le mont Everest.

Une étoile à neutrons est le noyau mort d'une étoile qui a explosé, compressé à la taille d'une ville. Si une étoile ordinaire se trouve à proximité, l'étoile à neutrons aspire sa matière comme un aspirateur. Cette matière tombe à la surface et forme une croûte – une couche solide de noyaux atomiques riches en neutrons.

En 2019, les détecteurs d'ondes gravitationnelles ont capté un signal provenant de la fusion d'objets lointains. L'un d'eux était un trou noir de 23 masses solaires. Le second ne pesait que 2,5 masses solaires — et c'est étrange.

Bien avant cela, Fritz Zwicky avait prédit qu'après l'explosion d'une supernova naissait une minuscule étoile à neutrons. Des années plus tard, Jocelyn Bell Burnell en a capté les pulsations, découvrant les pulsars.

À l'intérieur d'une étoile à neutrons, la matière est si dense qu'une cuillère à café pèse autant qu'une montagne. Sous une telle pression, les particules ordinaires – protons et neutrons – peuvent se transformer en particules exotiques appelées hypérons. Ces particules ressemblent aux neutrons, mais contiennent des quarks étranges.