Explorez l’intérieur d’une étoile à neutrons : vous pensez évidemment y trouver des neutrons. En fait, ce n'est pas si évident. Plus vous irez en profondeur, plus ce sera flou et dense. Les théories ne manquent pas pour prédire ce que renfermerait le centre de ces objets cosmiques. Selon l'une des hypothèses, celui-ci serait rempli de quarks en liberté, qui ne seraient pas enfermés à l'intérieur des neutrons. Selon une autre, il serait composé d'hypérons, des particules contenant au moins un quark du type étrange. Selon une troisième, il consisterait en un état exotique de la matière appelé « condensat de kaons ».

Dans un article récemment publié dans la revue Nature Physics, cinq scientifiques, dont Aleksi Kurkela, membre du département Théorie du CERN, présentent des éléments probants tendant à montrer que le cœur des étoiles à neutrons massives pourrait être rempli de quarks en liberté : une matière quarkonique ressemblant à l'état dense de quarks et de gluons en liberté qui aurait existé juste après le Big Bang et qui peut être recréée sur Terre dans des collisionneurs de particules, tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Pour trouver ces éléments, les scientifiques ont associé aux informations obtenues à partir d'observations astronomiques des calculs théoriques. En effet, si les observations astronomiques donnent des informations sur l'intérieur des étoiles, elles ne peuvent révéler leur composition exacte.

Les calculs théoriques concernaient une description de l'état de la matière à l'intérieur d'une étoile à neutrons, depuis l'écorce jusqu'au centre. L’équipe de scientifiques a recouru à des équations d'état, mettant en relation la pression d'un état de matière avec la densité d'énergie – la quantité d'énergie contenue dans un système ou une région de l'espace par unité de volume.

L’équipe a ensuite associé à ces calculs deux informations extraites d’observations astronomiques, à savoir le fait que les étoiles à neutrons peuvent avoir une masse équivalant à celle de deux soleils, ainsi que les valeurs possibles d'une propriété appelée « déformabilité due aux effets de marée » pour une étoile à neutrons d'une masse d'environ 1,4 fois celle du Soleil. La déformabilité due aux effets de marée décrit la rigidité d'une étoile soumise aux tensions causées par la force gravitationnelle exercée par une étoile secondaire ; elle a été établie à partir de l'observation des ondes gravitationnelles (ondulations de l’espace-temps) émises par la fusion de deux étoiles à neutrons.

S’appuyant sur ces éléments théoriques et sur les données d’observation, l'équipe de scientifiques a établi que le cœur des étoiles à neutrons d'une masse de 1,4 fois celle du Soleil doit être remplie de neutrons. En revanche, les étoiles plus massives pourraient contenir un grand cœur de matière quarkonique. Par exemple, une étoile à neutrons d'une masse deux fois supérieure à celle du Soleil et d'un rayon d'environ 12 km pourrait avoir un cœur de matière quarkonique d'un rayon d'environ 6,5 km, soit environ la moitié du rayon de l'étoile.

« Certes, notre analyse ne permet pas d'exclure entièrement l'existence d'étoiles à neutrons massives ayant un cœur constitué de neutrons, mais elle démontre que l'hypothèse d'un cœur constitué de matière quarkonique n'est pas si singulière, déclare Aleksi Kurkela. Nous avons hâte de prendre en compte dans notre analyse de nouvelles données sur les étoiles à neutrons afin de voir quelle incidence elles auront sur ces conclusions. »