Publié le 26 octobre 2025 à 02h28. Des chercheurs allemands ont établi une limite théorique à la densité que peuvent atteindre les étoiles à neutrons, ouvrant de nouvelles perspectives pour tester les lois fondamentales de la physique nucléaire dans des conditions extrêmes.
- Une nouvelle limite théorique a été découverte concernant la densité maximale des étoiles à neutrons.
- Cette découverte permet de mieux contraindre les modèles décrivant l’état de la matière à l’intérieur de ces objets célestes.
- Les résultats pourraient révéler des failles dans notre compréhension de la chromodynamique quantique (CDQ) si des étoiles à neutrons plus denses que prévu sont observées.
Les étoiles à neutrons, vestiges ultra-denses d’étoiles massives ayant explosé en supernovae, représentent des laboratoires naturels uniques pour étudier la matière dans des conditions impossibles à reproduire sur Terre. Ces objets, incroyablement petits – environ 20 kilomètres de diamètre – concentrent une masse jusqu’à trois fois celle du Soleil. Si leur masse peut être mesurée avec précision, déterminer leur rayon s’avère beaucoup plus complexe.
« Mesurer les propriétés de la matière au sein des étoiles à neutrons est un défi majeur », explique Luciano Rezzolla, de l’Université de Francfort, à Space.com. « Nous pouvons déterminer leur masse avec une grande exactitude, mais l’estimation de leur rayon est beaucoup plus délicate. »
La difficulté réside dans la détermination de ce que l’on appelle l’équation d’état (EoS), une équation qui décrit la relation entre la pression et la densité à l’intérieur de l’étoile. Sous une pression colossale, les atomes se désintègrent et les protons fusionnent avec les électrons pour former des neutrons. Au cœur de l’étoile à neutrons, la physique pourrait même devenir encore plus exotique, impliquant des particules rares comme les hypérons, ou même des quarks, les constituants fondamentaux de la matière.
Pour établir cette limite de densité, Luciano Rezzolla et Christian Ecker ont analysé des dizaines de milliers de modèles d’EoS, calculant la masse maximale qu’une étoile peut atteindre avant de s’effondrer en trou noir, conformément aux prédictions de la relativité générale. Ils ont découvert que le rapport entre la masse et le rayon d’une étoile à neutrons est toujours inférieur à 1/3. Autrement dit, une étoile à neutrons ne peut pas être plus dense que cette limite.
« En fixant une limite supérieure pour la densité, nous pouvons également définir une limite inférieure pour le rayon », précise Rezzolla. « Une fois la masse connue, nous pouvons affirmer que le rayon doit être supérieur à trois fois la masse. »
Cette relation est ancrée dans les principes de la chromodynamique quantique (CDQ), la théorie qui décrit la force forte liant les quarks à l’intérieur des protons et des neutrons. Selon Rezzolla, la découverte d’étoiles à neutrons plus denses que cette limite pourrait signaler une faille dans notre compréhension de la CDQ.
« Si nous observons des étoiles à neutrons avec une densité supérieure à 1/3, cela indiquerait que nos hypothèses concernant la CDQ sont incorrectes. »
Luciano Rezzolla, Université de Francfort
Les chercheurs sont optimistes quant à la capacité des futures observations, notamment grâce à l’expérience NICER à bord de la Station spatiale internationale et à la détection d’ondes gravitationnelles issues de la fusion d’étoiles à neutrons – comme l’événement GW170817 – à affiner les estimations des rayons des étoiles à neutrons et à valider leurs théories. Cette recherche a été prépubliée sur le serveur arXiv.
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