La matière dégénérée est une forme bizarre de matière exotique créée dans le cœur des étoiles massives, où les atomes ou même les particules subatomiques sont si étroitement entassés que la principale source de pression n’est plus thermique mais quantique – dictée par les limites fixées par le principe d’exclusion de Pauli, qui affirme que deux particules ne peuvent pas occuper le même état quantique. Il est également utile dans certaines circonstances de traiter les électrons de conduction dans les métaux comme de la matière dégénérée, en raison de leur densité élevée. La matière dégénérée, en particulier l’hydrogène métallique, a déjà été créée en laboratoire, en utilisant des pressions supérieures à un million d’atmosphères (> 100 GPa).
La matière dégénérée est unique en ce que sa pression n’est que partiellement dictée par la température, et la pression resterait en fait même si la température de la matière était abaissée jusqu’au zéro absolu. C’est assez différent des gaz parfaits que nous apprenons en cours de physique, où la température et la pression/le volume sont étroitement liés.
Par ordre de densité croissante, les formes courantes de matière dégénérée comprennent l’hydrogène métallique, présent en grande quantité dans le noyau de planètes massives telles que Jupiter et Saturne ; la matière naine blanche, trouvée dans les naines blanches, que notre Soleil deviendra un jour ; le neutronium, trouvé dans les étoiles à neutrons, le point final de l’évolution stellaire pour les étoiles de 1.35 à environ 2.1 masses solaires ; matière étrange; ou la matière quark, également postulée pour exister au sein d’étoiles très massives.
Chez les naines blanches, le matériau est appelé matière dégénérée aux électrons, car il n’y a pas suffisamment d’énergie pour réduire les électrons en noyaux atomiques et produire du neutronium. Dans les étoiles à neutrons, le matériau est appelé matière dégénérée par les neutrons, car la pression est si forte que les électrons fusionnent avec les protons pour créer une matière constituée uniquement de neutrons. Dans des conditions normales, les neutrons libres dégénèrent en un proton et un électron en 15 minutes environ, mais sous l’énorme pression d’une étoile à neutrons, la matière ne contenant que des neutrons est stable.
On pense que la forme la plus extrême de matière dégénérée, la matière étrange, existe dans les étoiles à quarks, des étoiles dont la masse se situe entre les étoiles à neutrons et les trous noirs, dans lesquelles les quarks constitutifs des neutrons se découplent et une soupe de quarks est créée. Les étoiles quarks sont un candidat possible pour la mystérieuse matière noire qui constitue la majeure partie de la masse des galaxies observées.