Étoiles à Quarks dans les Intérieurs des Étoiles à Neutrons

Étoiles à quarks : du plasma quark-gluon aux résidus de supernova

Les étoiles à neutrons pourraient contenir du plasma quark-gluon dans leur noyau — un état de la matière où les protons et les neutrons se désintègrent en quarks et gluons. Ces objets mesurent environ 20 km de diamètre, avec une masse de 1,4 fois celle du Soleil, et leur densité permet aux quarks d'exister librement sous la pression de l'interaction forte. L'hypothèse suggère une transition d'une croûte de neutrons à un noyau de quarks, où la matière est plus stable que les hadrons ordinaires.

Les quarks sont des fermions à l'intérieur des protons et des neutrons, maintenus ensemble par les gluons. En chromodynamique quantique, le plasma quark-gluon forme un fluide parfait avec une viscosité nulle, comme observé dans les expériences au CERN et à Brookhaven. Dans les étoiles, il s'agit d'une forme froide et ultra-dense qui domine la gravité.

La physique des quarks et de l'interaction forte

Les atomes sont constitués de noyaux (protons, neutrons) et d'électrons. Chaque nucléon est composé de trois quarks : up (u), down (d), et parfois strange (s). Les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli, empêchant des états identiques, contrairement aux gluons bosons.

Les quarks étranges ont une longue durée de vie, se désintégrant en u et d. La soupe de quarks-gluons était la base de l'univers primitif après le Big Bang, se transformant en hadrons. Dans les étoiles à neutrons, le déconfinement transforme les neutrons en quarks libres juste sous la croûte.

Structure des étoiles à neutrons

Les étoiles à neutrons sont des résidus de supernova, des pulsars avec des impulsions radio périodiques. Leur densité provoque la désintégration des neutrons : l'interaction forte prévaut, formant une matière froide et ultra-dense de composition inconnue.

Mesurer la masse et le rayon est difficile en raison des distances (la plus proche est à 400 années-lumière). Les collisions génèrent des ondes gravitationnelles, révélant la viscosité de la matière. La viscosité volumique est estimée par la théorie des perturbations : elle caractérise la perte d'énergie pendant les oscillations de la densité du mélange de quarks.

• Masse et Rayon : Les statistiques des fusions montrent des variations, indiquant un possible noyau de quarks.
• Viscosité : Faible, similaire au plasma des accélérateurs.
• Chronométrage des pulsars : Une méthode pour des paramètres précis.
• Ondes gravitationnelles : Données de LIGO/Virgo sur le mélange de matière.

La couche de croûte présente des irrégularités à l'échelle millimétrique, tandis que le noyau pourrait être une soupe de quarks.

L'hypothèse des étoiles à quarks

Les étoiles à quarks sont entièrement composées de quarks libres (u, d, s), appelées étoiles étranges. Le déconfinement se produit à une masse critique lorsque la pression du gaz de neutrons dégénéré est insuffisante.

La matière étrange est stable à pression nulle, l'état fondamental véritable. Les strangelets sont des gouttelettes de quarks capables de transformer les étoiles à neutrons.

Propriétés :

• Plus dense que les étoiles à neutrons.
• Recouvertes d'une fine croûte de neutrons.
• Une faible tension superficielle permet des corps macroscopiques.
• Potentiel de supraconductivité via la théorie BCS.
• Énergie comparable à la fusion thermonucléaire.

Simulations au JINR, CERN et à l'Institut de Tokyo : condensat de Bose-Einstein passant à une phase solide superfluide.

Candidats parmi les objets compacts

Les pulsars à rotation rapide et les résidus de faible masse sont prioritaires. XTE J1739-285 : 1122 Hz, rayon 9–12 km, masse 1,2 M☉, à 13 000 années-lumière, dans Ophiuchus. Possiblement une structure pure de quarks sous une enveloppe gazeuse.

HESS J1731-347 (2022, Tübingen) : Un résidu de supernova, à 10 000 années-lumière, masse 0,77 M☉, rayon 10,4 km. Son spectre de rayons X est anormal pour une étoile à neutrons.

Points clés à retenir

• Le plasma quark-gluon dans les noyaux d'étoiles à neutrons est une version froide des expériences de laboratoire.
• Les collisions et ondes gravitationnelles fournissent des données sur la viscosité et l'équation d'état.
• Candidats : XTE J1739-285 et HESS J1731-347 avec des paramètres extrêmes.
• La matière étrange est un état stable qui pourrait dominer les objets compacts.
• Les futures observations du SKAO clarifieront la composition des intérieurs stellaires.

— Editorial Team