Publié le 24 octobre 2025 à 21h02. Des astrophysiciens ont mis au point une nouvelle approche pour sonder les limites de la matière au cœur des étoiles à neutrons, ouvrant ainsi une voie inédite pour tester les lois fondamentales de la physique nucléaire dans des conditions extrêmes.
- Une nouvelle relation théorique permet de mieux comprendre la compacité des étoiles à neutrons, ces vestiges denses d’étoiles massives ayant explosé en supernova.
- Les chercheurs ont découvert une limite supérieure à la compacité de ces objets célestes, ce qui permet de déduire une limite inférieure à leur rayon.
- Cette avancée pourrait permettre de valider ou d’infirmer nos connaissances actuelles sur la physique des quarks et des forces fondamentales de l’univers.
Les étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus denses de l’univers. Nées de l’effondrement gravitationnel du cœur d’une étoile massive en fin de vie, elles concentrent une masse équivalente à celle de deux ou trois soleils (2 à 3 masses solaires) dans un volume comparable à celui d’une ville. Bien que leur diamètre ne dépasse pas une douzaine de kilomètres, leur densité est telle qu’une simple cuillère à café de matière d’étoile à neutrons pèserait des milliards de tonnes sur Terre.
Déterminer précisément le rayon d’une étoile à neutrons s’avère cependant extrêmement difficile. Luciano Rezzolla, professeur d’astrophysique théorique à l’Université de Francfort, explique :
« Mesurer les propriétés de la matière d’une étoile à neutrons est en effet très difficile, car même si nous pouvons mesurer la masse d’une étoile à neutrons avec une grande précision, il est très difficile de mesurer son rayon avec précision. »
Le principal obstacle réside dans l’équation d’état, qui décrit la relation entre la densité et la pression au sein de l’étoile à neutrons. Les conditions extrêmes qui y règnent mettent à l’épreuve notre compréhension de la physique nucléaire. Au cœur de ces étoiles, la matière pourrait adopter des états exotiques, avec l’apparition de particules « étranges » appelées hypérons, ou même une déstructuration des neutrons en quarks, les constituants fondamentaux de la matière. Or, reproduire ces conditions en laboratoire est impossible.
Pour contourner cette difficulté, Luciano Rezzolla et son collègue Christian Ecker ont étudié des dizaines de milliers d’équations d’état possibles, en se concentrant sur l’étoile à neutrons la plus massive compatible avec chacune d’elles. Ils ont découvert une limite supérieure à la compacité de ces objets, c’est-à-dire au rapport entre leur masse et leur rayon. Selon leurs calculs, ce rapport ne peut excéder 1/3.
Cette limite, qui découle des principes de la relativité générale, permet d’établir une limite inférieure au rayon de l’étoile à neutrons. Ainsi, si l’on parvient à mesurer précisément la masse d’une étoile à neutrons, on peut en déduire que son rayon doit être supérieur à trois fois sa masse.
Les chercheurs ont également constaté que cette relation est valable quelle que soit l’équation d’état, ce qui suggère qu’elle est ancrée dans des principes physiques fondamentaux, notamment la chromodynamique quantique (QCD). Cette théorie décrit la force forte, qui lie les quarks entre eux. Selon Rezzolla, cette relation laisse une « empreinte » de la QCD sur la structure interne des étoiles à neutrons.
« Si nous constations une violation de ce résultat, comme une étoile à neutrons avec une compacité supérieure à 1/3, cela indiquerait qu’il y a quelque chose de faux dans les hypothèses QCD que nous avons utilisées. »
Les perspectives d’observation sont encourageantes. L’expérience NICER, installée à bord de la Station spatiale internationale, et les mesures d’ondes gravitationnelles, notamment celles issues de la fusion d’étoiles à neutrons (comme l’événement GW 170817, où deux étoiles à neutrons ont fusionné), pourraient bientôt permettre de mesurer avec précision le rayon des étoiles à neutrons et de valider cette nouvelle relation.
Les travaux de Rezzolla et Ecker sont disponibles sur le serveur de prépublications arXiv.
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