Des objets cosmiques hypothétiques extrêmement denses et exotiques connus sous le nom d'"étranges étoiles à quarks" peuvent exister dans l'univers. Alors que les astrophysiciens continuent de débattre de l'existence d'étoiles à quarks, une équipe de physiciens a découvert que le reste d'une fusion d'étoiles à neutrons observée en 2019 a exactement la masse nécessaire pour en être une.
Lorsque les étoiles meurent, leur noyau se contracte tellement qu'elles se transforment en de nouveaux types d'objets. Par exemple, lorsque le Soleil s'éteindra enfin, il laissera derrière lui une naine blanche, une boule de la taille d'une planète composée d'atomes de carbone et d'oxygène hautement comprimés. Lorsque des étoiles encore plus grandes explosent dans des explosions cataclysmiques appelées supernovae, elles laissent derrière elles des étoiles à neutrons. Ces objets incroyablement denses ne mesurent que quelques kilomètres de diamètre, mais leur masse peut être plusieurs fois celle du Soleil. Comme leur nom l'indique, ils sont composés presque entièrement de neutrons purs, ce qui en fait des noyaux atomiques d'un kilomètre de long.
Les étoiles à neutrons sont si exotiques que les physiciens ne les ont pas encore complètement comprises. Bien que nous puissions observer comment les étoiles à neutrons interagissent avec leur environnement et faire de bonnes suppositions sur ce qui arrive à cette matière neutronique près de la surface, la composition de leurs noyaux reste insaisissable.
Le problème est que les neutrons ne sont pas des particules complètement fondamentales. Bien qu'ils se combinent avec des protons pour former des noyaux atomiques, les neutrons eux-mêmes sont constitués de particules encore plus petites appelées quarks.
Il existe six types, ou arômes, quarks : haut, bas, haut, bas, bizarre et charme. Un neutron est composé de deux quarks down et d'un quark up. Si vous aplatissez trop d'atomes ensemble, ils se transformeront en une boule géante de neutrons. Donc, si vous pressez trop de neutrons ensemble, vont-ils se transformer en une boule géante de quarks ?
Les réponses vont de « peut-être » à « c'est difficile ». Le problème est que les quarks n'aiment vraiment pas être seuls. La force nucléaire forte, qui lie les quarks dans le noyau, augmente en fait avec la distance. Si vous essayez de rapprocher deux quarks, la force qui les ramène augmente. Finalement, l'énergie gravitationnelle entre eux devient si grande que de nouvelles particules apparaissent dans le vide, y compris de nouveaux quarks, qui se lient joyeusement avec ceux qui sont séparés.
Si vous vouliez créer un objet macroscopique à partir des quarks up ou down qui composent un neutron, cet objet exploserait très rapidement et très violemment.
Mais peut-être existe-t-il un moyen qui utilise des quarks étranges. Par eux-mêmes, les quarks étranges sont assez lourds, et lorsqu'on les laisse se reposer, ils se désintègrent rapidement en quarks up et down plus légers. Cependant, lorsqu'un grand nombre de quarks sont combinés, la physique peut changer. Les physiciens ont découvert que les quarks étranges peuvent se lier aux quarks up et down pour former des triplets connus sous le nom de starlettes, qui peut être stable - mais uniquement sous des pressions extrêmes.
Si vous compressez trop une étoile à neutrons, tous les neutrons perdent leur capacité à supporter l'étoile et celle-ci explose pour former un trou noir. Mais il peut y avoir une étape intermédiaire où la pression est suffisamment élevée pour dissoudre les neutrons et former une étrange étoile de quark, mais pas assez forte pour que la gravité prenne le dessus.
Les astronomes ne s'attendent pas à trouver beaucoup d'étoiles étranges dans l'univers, ces objets devraient être plus lourds que les étoiles à neutrons mais plus légers que les trous noirs, et il n'y a pas beaucoup de marge de manœuvre. Et puisque nous ne comprenons pas entièrement la physique des étoiles étranges, nous ne connaissons même pas les masses exactes auxquelles les étoiles étranges peuvent exister.
Mais une équipe d'astronomes s'est récemment penchée sur GW190425, un événement d'onde gravitationnelle causé par la fusion de deux étoiles à neutrons observée en 2019. Parallèlement à la quantité massive d'ondes gravitationnelles, la fusion des étoiles à neutrons entraîne la formation d'une kilonova, une explosion plus puissante qu'une nova normale mais plus faible qu'une supernova. Bien que les astronomes n'aient pas été en mesure de détecter un signal électromagnétique de cet événement, ils ont observé un événement similaire en 2017 qui a produit à la fois des ondes gravitationnelles et des radiations.
Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, il existe plusieurs options pour le développement d'événements en fonction de leurs masses, de leurs spins et de l'angle de collision. Selon des calculs théoriques, les étoiles à neutrons peuvent s'entre-détruire, former un trou noir ou créer une étoile à neutrons légèrement plus massive.
Et selon une nouvelle étude, ces collisions cosmiques pourraient conduire à la formation d'une étrange étoile quark.
L'équipe a estimé que la masse de l'objet restant de la fusion de 2019 se situait entre 3,11 et 3,54 masses solaires. D'après notre meilleure compréhension de la structure des étoiles à neutrons, c'est trop de masse et aurait dû exploser en un trou noir. Mais elle se situe également dans la gamme de masses autorisées par les modèles structuraux de ces étranges étoiles.
Il est trop tôt pour dire si 190425 GW2019 est notre première observation d'une étoile rare avec un quark étrange, mais de futures observations (et des travaux plus théoriques) pourraient aider les astronomes à localiser l'une de ces créatures exotiques.
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