Mini star, mais elle pèse un maximum

article de Laurent Laveder
19 AVRIL 2002

Ce schéma compare la taille d\'une étoile à neutrons et d\'une étoile à quarks par rapport au Grand Canyon en Arizona. Plus petite et dense, l\'étoile à quarks serait constituée de quarks. Mais bien des mystères subsistent au sujet de ces astres encore hypothétiques.
Ce schéma compare la taille d'une étoile à neutrons et d'une étoile à quarks par rapport au Grand Canyon en Arizona. Plus petite et dense, l'étoile à quarks serait constituée de quarks. Mais bien des mystères subsistent au sujet de ces astres encore hypothétiques.

D. Berry, Chandra.

Pressenties depuis les années 80, les scientifiques auraient enfin observé des étoiles à quarks. Ce type d'astre tout à fait nouveau est en fait une étoile si massive que ses atomes sont réduits à leurs constituants les plus élémentaires, les quarks.

Petit cours de physique

Commençons par un petit cours de physique atomique. La matière qui nous environne est constituée d'atomes. Ce sont les "briques" de la matière. Mais ces briques sont elles-même composés d'éléments plus petits : neutrons, protons et électrons.

A leur tour, protons et neutrons sont constitués d'éléments encore plus petits : les quarks. Avant d'être observés indirectement dans les accélérateurs de particules, les quarks étaient prévus par la théorie quantique.

Mais pourquoi s'arrêter là ? Pourquoi n'existerait-il pas des particules encore plus petites que les quarks ? Cette question est tout à fait fondée, mais la théorie quantique n'a pour le moment aucun besoin d'avoir recours à de telles particules. Peut-être n'existent-elles pas ! Mais pour le vérifier, il faudrait avoir recours à des accélérateurs de particules de taille tout à fait considérable, que notre technologie actuelle ne permettrait pas de construire.

Au-delà des étoiles à neutrons, les étoiles à quarks

Les étoiles à neutrons sont constituées de… neutrons. Ces cadavres d'étoiles (qui résultent d'explosion d'étoiles géantes en supernova) sont si denses que les atomes qui les constituaient à l'origine sont disloqués en particules plus élémentaires qui se transforment en neutrons sous l'effet de l'incroyable densité de l'étoile à neutrons. En effet, ces astres qui ont une masse comprise entre 1,5 à 3 fois la masse du Soleil ne mesure qu'une vingtaine de kilomètres de diamètre ! Une cuillère à café d'étoile à neutrons pèserait environ un milliard de tonnes ! A éviter pour les régimes…

Mais depuis une vingtaine d'années, des théoriciens avancent l'existence d'un nouveau type d'étoiles : les étoiles à quarks, constituées uniquement de quarks. Elles se formeraient lorsque des étoiles à neutrons deviennent si denses qu'elles cassent les neutrons pour engendrer des quarks sous l'effet de la pression. Les astronomes les ont surnommées "étoiles étranges", non seulement pour leur nature, mais aussi parce qu'elles sont constituées de quarks dits étranges (des quarks plus massifs que les quarks plus classiques de type up et down qui constituent protons et neutrons)

Deux premières

Ce sont de telles étoiles qu'auraient observé pour la 1ère fois deux équipes d'astronomes travaillant indépendamment, avec le télescope spatial X Chandra et le télescope spatial Hubble. La première équipe menée par David Helfand s'est intéressée à 3C58, une étoile située dans la constellation de Cassiopée. Cette étoile aurait été observée en 1181, lorsqu'elle explosa en supernova.

En mesurant sa température en rayons-X (l'étoile est trop chaude pour être observable dans de bonnes conditions dans le spectre visible), les astronomes sont arrivés à la valeur de 1 million de Kelvins. C'est très chaud, mais c'est deux fois plus froid que la température normale d'une étoile à neutrons âgée d'à peine 800 ans !

Cette différence de température serait due à la composition de 3C58 : l'astre serait une étoile à quarks. De tels objets pourraient refroidir plus vite que les étoiles à neutrons.

L'autre équipe, dirigée par Jeremy Drake, a étudié RX J1856–3754 dans la constellation de la Couronne Australe. Les astronomes pensaient avoir à faire à une étoile à neutrons. Mais là encore, les mesures effectuées à l'aide de Chandra et Hubble trahissent un diamètre de 11 km. Or, une étoile à neutrons ne peut mesurer moins de 17 km de diamètre. En revanche, les dimensions de RX J1856–3754 sont parfaitement compatibles avec la théorie des étoiles à quarks.

Contagieux ou pas ?

Les astronomes sont méfiants : ils n'ont pas de preuves directes de l'existence d'étoiles à quarks, juste de fortes présomptions. En fait, les scientifiques n'ont aucune idée précise du comportement d'une étoile à quarks. Il est possible que les quarks aient la faculté de transformer en quarks toute matière avec laquelle ils entrent en contact.

Les étoiles à quarks seraient donc entièrement constituées de quarks et auraient une surface parfaitement nette. Si les quarks ne sont pas "contagieux", il est envisageable que les étoiles à quarks soient constituées d'un cœur de quarks entouré d'une couche de neutrons.

Etoiles étranges. Finalement, c'est peut-être ce qui résume au mieux ces astres pour le moins exotiques. Si de tels astres existent, ils sont une formidable opportunité d'observer des particules microscopiques que les scientifiques ont tant de peine à produire sur Terre. Observer le microscopique à des distances astronomiques, voilà tout le paradoxe de la vie d'astronome.

Dans notre dictionnaire de l'astronomie...

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