La matière des quarks – une phase de matière extrêmement dense constituée de particules subatomiques appelées quarks – pourrait exister au cœur des étoiles à neutrons. Il peut également être créé pour de brefs instants dans des collisionneurs de particules sur Terre, comme le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Mais le comportement collectif de la matière de quarks n'est pas facile à cerner. Dans un colloque cette semaine au CERN, Aleksi Kurkela du département de théorie du CERN et de l'université de Stavanger, Norvège, a expliqué comment les données des étoiles à neutrons lui ont permis, ainsi qu'à ses collègues, de limiter étroitement le comportement collectif de cette forme extrême de matière.

Kurkela et ses collègues ont utilisé une propriété d'étoile à neutrons déduite de la première observation par les collaborations scientifiques LIGO et Virgo des ondes gravitationnelles - ondulations dans le tissu de l'espace-temps - émises par la fusion de deux étoiles à neutrons. Cette propriété décrit la rigidité d'une étoile en réponse aux contraintes causées par l'attraction gravitationnelle d'une étoile compagne, et est connu techniquement sous le nom de déformabilité due aux marées.

Pour décrire le comportement collectif de la matière des quarks, les physiciens emploient généralement des équations d'état, qui relient la pression d'un état de la matière à d'autres propriétés d'état. Mais ils n'ont pas encore trouvé d'équation d'état unique pour la matière des quarks; ils n'ont dérivé que des familles de telles équations. En branchant les valeurs de déformabilité des marées des étoiles à neutrons observées par LIGO et Virgo dans une dérivation d'une famille d'équations d'état pour la matière des quarks d'étoiles à neutrons, Kurkela et ses collègues ont pu réduire considérablement la taille de cette famille d'équations. Une telle famille réduite fournit des limites plus strictes sur les propriétés collectives de la matière des quarks, et plus généralement sur la matière nucléaire à haute densité, qu'ils n'étaient disponibles auparavant.

Fort de ces résultats, les chercheurs ont ensuite renversé le problème et utilisé les limites quark-matière pour en déduire les propriétés des étoiles à neutrons. En utilisant cette approche, l'équipe a obtenu la relation entre le rayon et la masse d'une étoile à neutrons, et a constaté que le rayon maximum d'une étoile à neutrons qui est 1,4 fois plus massive que le Soleil devrait être compris entre environ 10 et 14 km.