Cuillère à café d’étoile à neutrons : combien ça pèse ?

Personne n’a jamais prélevé de matière d’étoile à neutrons : ce chiffre est donc notre estimation, calculée à partir d’étoiles mesurées. NICER, le télescope à rayons X de la NASA installé sur la Station spatiale internationale, a mesuré des étoiles à neutrons d’environ 1,4 fois la masse du Soleil pour des rayons d’à peu près 11 à 13 km. On a retenu 1,4 masse solaire et un rayon de 12 km, soit une boule d’environ 24 km de diamètre.

Le calcul : 1,4 × 1,989 × 10³⁰ kg font environ 2,8 × 10³⁰ kg. Une sphère de 12 000 m de rayon a un volume de 4/3 × π × 12 000³, environ 7 200 milliards de m³. La masse divisée par le volume donne une densité moyenne d’environ 385 000 milliards de kg par mètre cube. Une cuillère à café de 5 ml fait 0,000005 m³ : elle contient donc environ 1,9 milliard de tonnes, qu’on arrondit à 2 milliards.

La NASA arrondit plus franchement et dit qu’une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons pèserait un milliard de tonnes sur Terre. D’autres chiffres populaires montent jusqu’à 5 ou 6 milliards de tonnes, parce qu’ils supposent une matière plus dense, prise plus profondément dans l’étoile. Tous s’accordent sur l’ordre de grandeur : des milliards de tonnes dans une seule cuillère.

Une étoile à neutrons n’a pas la même densité partout. La densité augmente avec la profondeur, d’environ 1 milliard de kg par mètre cube dans la croûte à une estimation de 600 000 à 800 000 milliards de kg par mètre cube dans le noyau. Une cuillère à café prélevée dans la croûte ne pèserait qu’environ 5 tonnes, alors qu’une cuillère prélevée dans le noyau pèserait 3 à 4 milliards de tonnes.

La densité moyenne est proche de celle d’un noyau atomique. La composition du noyau reste une question ouverte : la NASA décrit des modèles faits de neutrons et de protons ordinaires, et d’autres où une partie du noyau est faite de matière exotique composée de quarks. Trancher cette question est le principal objectif de NICER.

Les étoiles à neutrons ne sont pas toutes identiques, et le rayon compte énormément, puisque le volume augmente comme son cube. PSR J0437-4715, le pulsar milliseconde le plus proche, à environ 510 années-lumière, concentre 1,42 masse solaire dans un rayon de 11,4 km, ce qui donne environ 460 000 milliards de kg par mètre cube et 2,3 milliards de tonnes par cuillère à café.

PSR J0030+0451 a à peu près la même masse mais mesure environ 26 km de diamètre, donc sa cuillerée moyenne est plus légère, environ 1,5 milliard de tonnes. PSR J0740+6620, l’étoile à neutrons la plus lourde connue avec environ 2,1 masses solaires, mesure à peu près 24,8 km de diamètre, ce qui donne environ 2,6 milliards de tonnes. Ces tailles comportent des incertitudes de plusieurs pour cent ou plus, et comme le rayon est élevé au cube, les incertitudes sur la densité sont environ trois fois plus grandes.