Les étoiles étranges

Plus petites et plus denses que les étoiles à neutrons, les étoiles étranges, constituées de quarks, sont traquées dans l'Univers. Tant que des observations concluantes manqueront, ces astres resteront des spéculations.

L'élément le plus dense que nous connaissons sur Terre est l'or : un centimètre cube de ce métal a une masse de 19 grammes. Le même volume pris dans la matière d'une étoile à neutrons a une masse 1012fois supérieure ! À quel type de matière cela correspond-il ? La réponse est à chercher dans les particules subatomiques, plus précisément dans le noyau d'un atome qui en concentre presque toute la masse. La densité d'un noyau d'atome est en moyenne équivalente à celle d'une étoile à neutrons, un objet d'environ 20 kilomètres de diamètre ! De fait, elle est constituée essentiellement de neutrons et de protons, les « briques » des noyaux d'atomes.

Peut-on trouver un objet encore plus dense ? Dans les étoiles à neutrons, l'interaction forte entre les neutrons et les protons stabilise l'étoile contre la gravitation. Dans un objet plus dense, la gravitation serait encore plus forte et la matière devrait donc résister encore plus pour éviter l'effondrement en un trou noir. Les éléments de cette matière plus dense se trouvent dans les particules subatomiques.

En 1986, deux équipes ont indépendamment avancé l'idée d'« étoiles étranges » constituées de quarks up,down et étrange (voir la figure page 30), le nom de l'étoile faisant allusion à la présence du quarkétrange. La densité de ces étoiles étranges serait supérieure à celle des étoiles à neutrons. Les quarks sont des particules élémentaires dont on distingue six types : up, down, étrange, charmé, bottom et top. Ils s'associent, avec les gluons, pour former par exemple un proton ou un neutron. Ces derniers ne contiennent que des quarks up et down. Les autres types de quarks ont été mis en évidence dans les grands accélérateurs de particules.

Une telle étoile étrange aurait un rayon inférieur à celui d'une étoile à neutrons, mais une masse similaire, elle serait alors plus dense. Ici, l'interaction forte, cette fois-ci entre les quarks, contrebalancerait la gravitation. Précisons que les étoiles constituées de quarkscharmé, top et bottom seraient instables et s'effondreraient rapidement en trou noir.

Pourquoi, outre les quarks up et down de la matière ordinaire, le quark étrange est-il nécessaire ? En effet, on peut imaginer comprimer la matière d'une étoile à neutrons jusqu'à «dissoudre» les neutrons et les protons qui la constituent en une sorte de «soupe», plus dense qu'au départ, où les quarks up et down (et les gluons) ne sont plus confinés. Cette transition est prédite par la théorie de l'interaction forte, mais on ignore encore à quelle densité elle s'effectue et donc si on la trouve dans les étoiles compacts. Néanmoins, supposons que c'est le cas.

Puisque la densité est la plus élevée au centre de l'étoile, à cause de la gravitation, un cœur de matière de quarks devrait se former dans une étoile à neutrons. On parle alors d'une étoile hybride (voir Les étoiles à neutrons, par J. Novak, page 22). À mesure que l'on s'éloigne du centre, la densité diminue et, à une certaine profondeur, on retrouve une matière d'étoile à neutrons classique. Les caractéristiques de cette étoile hybride seraient similaires à celles d'une étoile à neutrons. Voyons comment seule la présence des quarksétrange autorise l'existence d'étoiles constituées (presque) uniquement de quarks.

L'indispensable quark étrange

L'alternative à notre méthode de compression serait de convertir la matière ordinaire (neutrons, protons, noyaux et électrons) en une matière de quarks qui remplirait tout le volume de l'étoile. Ce n'est possible qu'avec un gain d'énergie. En physique, tous les systèmes tendent à rejoindre l'état de plus basse énergie. Une transformation ne se produit donc sans aide que si l'état final est d'une énergie inférieure à celle du début : on gagne de l'énergie. Les noyaux atomiques ne se transforment pas spontanément en matière de quarks up et down, car cette conversion ne peut pas dégager d'énergie.

Pourtant, on peut s'affranchir de cet obstacle, grâce à une idée qu'ont eu indépendamment le Britannique Arnold Bodmer en 1971 et l'Américain Edward Witten en 1984. En se fondant sur le principe d'exclusion de Pauli (voir Les étoiles à neutrons, par J. Novak, page 22), ils ont proposé que la matière de quarks contenant le quark étrange est le vrai état fondamental de la matière, c'est-à-dire l'état avec l'énergie la plus basse. Le principe de Pauli stipule qu'en physique quantique, deux particules de type « fermion », notamment les neutrons, les protons et les quarks, ne peuvent pas occuper le même état d'énergie. Ainsi, pour en réunir un grand nombre dans un volume donné, on doit les «...

Source : http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-les-etoiles-etranges-29369.php

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