Degenerate matter occurs when the Pauli exclusion principle significantly alters a state of matter at low temperature. The term used in astrophysics to refer to dense stellar objects such as white dwarfs and neutron stars, where thermal pressure alone is not enough to avoid gravitational collapse. The term also applies to metals in the Fermi gas approximation.
Degenerate matter is usually modelled as an ideal Fermi gas, an ensemble of non-interacting fermions. In a quantum mechanical description, particles limited to a finite volume may take only a discrete set of energies, called quantum states. The Pauli exclusion principle prevents identical fermions from occupying the same quantum state. At lowest total energy (when the thermal energy of the particles is negligible), all the lowest energy quantum states are filled. This state is referred to as full degeneracy. This degeneracy pressure remains non-zero even at absolute zero temperature. Adding particles or reducing the volume forces the particles into higher-energy quantum states. In this situation, a compression force is required, and is made manifest as a resisting pressure. The key feature is that this degeneracy pressure does not depend on the temperature but only on the density of the fermions. Degeneracy pressure keeps dense stars in equilibrium, independent of the thermal structure of the star.
A degenerate mass whose fermions have velocities close to the speed of light (particle kinetic energy larger than its rest mass energy) is called relativistic degenerate matter.
The concept of degenerate stars, stellar objects composed of degenerate matter, was originally developed in a joint effort between Arthur Eddington, Ralph Fowler and Arthur Milne. Eddington had suggested that the atoms in Sirius B were almost completely ionised and closely packed. Fowler described white dwarfs as composed of a gas of particles that became degenerate at low temperature; he also pointed out that ordinary atoms broadly similar in regards to the filling of energy levels by fermions.
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Un gaz de Fermi idéal est un état de la matière constitué d'un ensemble de nombreux fermions sans interaction. Les fermions sont des particules ayant un spin demi-entier (1/2, 3/2), comme les électrons, les protons et les neutrons ; la propriété essentielle des fermions est de ne pas pouvoir occuper en même temps le même état quantique, en raison du principe d'exclusion de Pauli.
thumb|220x220px|Scénario simplifié d'effondrement gravitationnel du cœur d'une étoile : (a) Une étoile massive et évoluée présente une structure en coquilles concentriques (structure type oignon) d'éléments qui subissent une fusion. Un noyau de fer inerte se forme par la fusion du silicium présent dans l'enveloppe la plus interne. (b) Ce noyau de fer atteint la masse de Chandrasekhar et commence à s'effondrer, le noyau externe (flèches noires) se déplaçant à une vitesse supersonique tandis que le noyau interne plus dense (flèches blanches) voyage subsoniquement ; (c) Le noyau interne se comprime en neutrons et l'énergie gravitationnelle se transforme en neutrinos.
On dit de la matière qu'elle est dégénérée lorsque sa densité est suffisamment élevée pour que le principe d'exclusion de Pauli intervienne à l'échelle macroscopique, ce qui a pour conséquence de modifier la relation qui lie normalement la pression et le volume d'un gaz avec sa température. À partir d'une certaine pression (ou d'une certaine densité), la matière est déstructurée et se comporte comme un gaz. Elle subit alors une force, exercée par ses électrons, qui s'oppose à sa contraction et empêche sa densité d'augmenter, la pression de dégénérescence.
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