Une cuillère à café. Cinq petits millilitres. Le genre d’ustensile qui traîne dans n’importe quel tiroir de cuisine. Selon la NASA, une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons pèserait un milliard de tonnes sur Terre, soit, à titre de comparaison, quelque chose comme la masse du mont Everest compressée dans un volume guère plus grand que le bout de votre pouce. Ce chiffre ne relève pas de la métaphore poétique. C’est de la physique brute.

Sommaire

1. La mort la plus violente de l’univers
2. Quand la matière perd tout son vide
3. Des phares dans l’obscurité du cosmos
4. Ce que l’on ne sait toujours pas

La mort la plus violente de l’univers

Les étoiles à neutrons se forment après la mort d’une étoile au moins dix fois plus massive que le Soleil. Vers la fin de leur vie, ces étoiles géantes fusionnent des éléments de plus en plus lourds dans leur noyau, jusqu’au fer, incapable de fusionner. L’étoile ne peut alors plus tirer d’énergie pour équilibrer la force gravitationnelle : son noyau se contracte, et en moins d’une seconde, des pressions incroyables convertissent les protons en neutrons. Moins d’une seconde. C’est le temps qu’il faut à une étoile géante pour basculer dans une autre catégorie de réalité.

À la fin de leur vie, les étoiles dont la masse est huit fois plus grande que celle du Soleil voient leur noyau s’effondrer sur lui-même sous l’effet de la gravité. Leurs couches externes sont expulsées en supernova, tandis que le noyau se contracte très violemment pour former une étoile à neutrons. Ce qui reste après cette explosion ? Une sphère d’environ 20 kilomètres de diamètre, la taille d’une ville, dans laquelle peut être compressée jusqu’à deux fois la masse du Soleil. Pour donner l’échelle : le Soleil représente lui-même 330 000 fois la masse de la Terre. Tout ça dans un objet de la taille de Paris intra-muros.

Quand la matière perd tout son vide

La densité d’une étoile à neutrons dépasse l’intuition, et pour cause : notre expérience quotidienne de la matière nous trompe. Les atomes, autour desquels gravitent des électrons, sont en temps normal majoritairement composés de vide. L’analogie classique en physique : si l’on place un ballon au milieu d’un terrain de football pour figurer le noyau atomique, les électrons orbiteraient à une distance équivalente aux tribunes. Entre le ballon et les tribunes, il n’y a rien. Dans une étoile à neutrons, tout ce vide est supprimé.

La densité résultante dépasse tout ce qui existe dans la matière ordinaire. Les protons et les électrons ont été écrasés ensemble pour former des neutrons, d’où le nom. La masse volumique est de l’ordre de mille milliards de tonnes par litre. Pour le cerveau humain, habitué à distinguer le solide du liquide, le lourd du léger, c’est une frontière infranchissable. Keith Gendreau, chercheur principal de la mission NICER à la NASA, a formulé la chose ainsi : « Si vous preniez le mont Everest et le comprimiez dans quelque chose comme un cube de sucre, c’est le genre de densité dont on parle. »

Les chiffres eux-mêmes méritent d’être déroulés lentement. Cinq millilitres de matière d’étoile à neutrons atteignent une masse de 5,5×10¹² kilogrammes, environ 15 fois la masse totale de la population humaine mondiale. Une cuillère à café standard contient environ 5 millilitres. L’ensemble de la population humaine, soit 8 milliards d’individus pour une masse moyenne de 50 kg, représente environ 400 milliards de kilogrammes. Une seule cuillère de matière d’étoile à neutrons surpasserait le poids de tous les êtres humains vivants, d’un facteur trois à quatre.

Des phares dans l’obscurité du cosmos

Ces objets ne sont pas que des curiosités statistiques. Ils tournent sur eux-mêmes à une vitesse qui confond l’imagination. À leur naissance, les étoiles à neutrons sont dotées d’une vitesse de rotation très élevée, de plusieurs dizaines de tours par seconde. Certains pulsars milliseconde dépassent les 700 rotations par seconde, soit plus qu’un moteur de Formule 1 à plein régime, mais à l’échelle d’un objet de 20 kilomètres de diamètre contenant deux masses solaires.

Le 28 novembre 1967, Jocelyn Bell, doctorante à l’Université de Cambridge, détecta dans ses données radioastronomiques un signal parfaitement régulier, une impulsion toutes les 1,337 secondes, répétée avec une précision stupéfiante. Son directeur de thèse Antony Hewish intitula d’abord le signal LGM-1, pour « Little Green Men 1 », car une régularité aussi parfaite semblait impossible d’origine naturelle. C’était le premier pulsar jamais détecté. La régularité de ces signaux est telle que ces pulsars sont envisagés pour la navigation spatiale. « Nous utilisons ces pulsars comme nous utilisons les horloges atomiques dans un système de navigation GPS », expliquait Keith Gendreau du centre Goddard de la NASA.

Le champ magnétique d’une étoile à neutrons dépasse d’un milliard de fois celui de la Terre, un détail qui passe souvent au second plan derrière les chiffres de densité, alors qu’il suffit à rendre l’objet létal à des milliers de kilomètres de distance. Certains spécimens, appelés magnétars, poussent encore plus loin : leurs émissions proviendraient de la dissipation de champs magnétiques extrêmes, un million de milliards de fois plus intenses que ceux de la Terre.

Ce que l’on ne sait toujours pas

La matière à l’intérieur d’une étoile à neutrons est si dense que les neutrons eux-mêmes pourraient se dissoudre en leurs constituants fondamentaux, quarks et gluons, formant un état appelé plasma quark-gluon. Des équations d’état de la matière dense ont été publiées, mais aucun consensus n’existe sur la structure interne exacte. On navigue ici à la limite de ce que la physique théorique peut décrire.

Le télescope spatial NICER de la NASA, dédié à l’observation des étoiles à neutrons en rayons X, fournit depuis 2017 des mesures de rayons et de masses qui contraignent progressivement ces modèles. On estime qu’il existe environ un milliard d’étoiles à neutrons dans la Voie lactée. Chaque collision de deux étoiles à neutrons détectée via les ondes gravitationnelles ajoute une contrainte supplémentaire aux équations : c’est ainsi, par ondes et par rayons X, que la physique de l’extrême se laisse progressivement déchiffrer. La première fusion de ce type, détectée en 2017 sous le nom GW170817, a en outre confirmé que ces collisions sont à l’origine des éléments les plus lourds de l’univers, or, platine, uranium compris. La cuillère à café dont vous remuez votre café ce matin contient peut-être des atomes nés d’un tel choc, il y a des milliards d’années.

Sources : fr.quora.com | ck12.org