Un trou noir peut détruire une étoile à neutrons en moins de 2 secondes

Il y a près de sept ans (14 septembre 2015), les chercheurs de l’Observatoire des ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO) ont découvert pour la première fois les ondes gravitationnelles (GW). Leurs résultats ont été partagés avec le monde six mois plus tard et ont valu à l’équipe de découverte le prix Noble de physique l’année suivante. Depuis lors, un total de 90 signaux créés par des systèmes binaires de deux trous noirs, deux étoiles à neutrons ou une de chaque ont été observés. Ce dernier scénario offre des possibilités très intéressantes pour les astronomes.

Si une fusion implique un trou noir et une étoile à neutrons, l’événement produira des GW et de sérieux affichages lumineux ! En utilisant les données recueillies à partir des trois fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons que nous avons détectées jusqu’à présent, une équipe d’astrophysiciens du Japon et d’Allemagne a pu comprendre le processus complet de collision d’un trou noir avec une modélisation d’étoile à neutrons, y compris tout ce qui concerne les trajectoires finales du binaire aux phases de fusion et de post-fusion. Leurs résultats pourraient aider de futures études suffisamment sensibles pour étudier les fusions et les événements GW de manière beaucoup plus détaillée.

L’équipe de recherche était dirigée par Kota Hayashi, chercheur à l’Institut Yukawa de physique théorique (YITP) de l’Université de Kyoto. Il a été rejoint par plusieurs collègues du YITP et de l’Université Toho au Japon et de l’Institut Albert Einstein de l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle (MPIGP) à Postdam, en Allemagne. L’article décrivant leurs découvertes a été dirigé par YITP Prof. Koto Hayashi et est récemment apparu dans le magazine scientifique Évaluation physique D.

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Les fusions d’objets compacts découvertes jusqu’à présent par LIGO et Virgo (en O1, O2 et O3a). Crédit : LIGO Virgo Collaboration/Frank Elavsky, Aaron Geller/Northwestern

Pour résumer, les GW sont de mystérieuses ondulations dans l’espace-temps prédites à l’origine par la théorie de la relativité générale d’Einstein. Ils sont créés lorsque des objets massifs fusionnent et créent des perturbations de marée dans le tissu de l’Univers, qui peuvent être détectées à des milliers d’années-lumière. À ce jour, seules trois fusions ont été observées impliquant un système binaire composé d’un trou noir et d’une étoile à neutrons. Au cours de l’un d’entre eux – GW170817, détecté le 17 août 2017 – les astronomes ont découvert une contrepartie électromagnétique aux GW qu’il a produites.

Dans les années à venir, les télescopes et les interféromètres avec une plus grande sensibilité devraient voir beaucoup plus de ces événements. Sur la base des mécanismes impliqués, les scientifiques s’attendent à ce que lorsque les trous noirs et les étoiles à neutrons fusionnent, la matière soit éjectée du système et une énorme quantité de rayonnement soit libérée (y compris de courtes rafales de rayons gamma). Pour leur étude, l’équipe a modélisé à quoi ressembleraient les fusions de trous noirs et d’étoiles à neutrons pour tester ces prédictions.

Ils ont sélectionné deux systèmes modèles différents, consistant en un trou noir en rotation et une étoile à neutrons, avec le trou noir à 5,4 et 8,1 masses solaires et l’étoile à neutrons à 1,35 masses solaires. Ces paramètres ont été choisis pour que l’étoile à neutrons soit probablement déchirée par les forces de marée. Le processus de fusion a été simulé à l’aide du cluster informatique “Sakura” du département d’astrophysique relativiste computationnelle du MPIGP. Dans un communiqué de presse du MPIGP, le directeur du département et co-auteur Masaru Shibata a expliqué :

“Nous avons un aperçu d’un processus qui prend une à deux secondes – cela semble court, mais pendant ce temps, il se passe beaucoup de choses : des orbites finales et de la perturbation de l’étoile à neutrons par les forces de marée, l’éjection de matière, à la formation d’un disque d’accrétion autour du trou noir naissant, et éjection supplémentaire de matière dans un rayon. Ce faisceau de haute énergie est aussi probablement à l’origine de courts sursauts gamma, dont les origines sont encore mystérieuses. Les résultats de la simulation indiquent également que la matière éjectée doit synthétiser des éléments lourds tels que l’or et le platine.

L’équipe a également partagé les détails de leur simulation dans une animation (illustrée ci-dessus) via la chaîne YouTube du Max Planck Institute for Gravitational Physics. Sur la gauche, la simulation montre le profil de densité sous forme de contours bleus et verts, les lignes de champ magnétique entrant dans le trou noir sont représentées sous forme de courbes roses et la matière éjectée du système sous forme de masses blanches troubles. À droite, l’intensité du champ magnétique de la fusion est indiquée en magenta, tandis que les lignes de champ apparaissent sous forme de courbes bleu clair.

En fin de compte, leurs simulations ont montré que pendant le processus de fusion, l’étoile à neutrons est déchirée par les forces de marée en quelques secondes. Environ 80% de la matière de l’étoile à neutrons a été consommée par le trou noir dans les premières millisecondes, augmentant la masse du trou noir d’une masse solaire supplémentaire. Dans les dix millisecondes suivantes, l’étoile à neutrons a formé une structure en spirale à un bras, une partie de la matière a été éjectée du système tandis que le reste (02,0 à 0,3 masse solaire) a formé un disque d’accrétion autour du trou noir.

Une fois la fusion terminée, le disque d’accrétion est tombé dans le trou noir, créant un flux focalisé de type jet de rayonnement électromagnétique et de matière. Ce jet émane des pôles, semblable à ce que l’on voit couramment avec les noyaux galactiques actifs (AGN), et peut entraîner une brève rafale de rayons gamma. Ce qui était particulièrement étonnant, c’est que même si les simulations ont duré deux mois, la fusion simulée a duré environ deux secondes ! dit le Dr. Kenta Kiuchi, le chef de groupe du département de Shibata qui a développé le code de simulation :

« De telles simulations relativistes générales prennent beaucoup de temps. Par conséquent, les groupes de recherche du monde entier se sont jusqu’à présent concentrés uniquement sur de courtes simulations. En revanche, une simulation de bout en bout, comme celle que nous venons de réaliser pour la première fois, fournit une image auto-cohérente de l’ensemble du processus pour des conditions initiales binaires données qui sont définies une fois au début.

Illustration artistique de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les faisceaux étroits représentent le sursaut gamma, tandis que la grille spatio-temporelle ondulée représente les ondes gravitationnelles. Crédit : National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Les simulations à long terme permettent également aux astronomes d’étudier le mécanisme derrière les sursauts gamma de courte durée (GRB). En plus d’être un phénomène transitoire, comme les sursauts radio rapides (FRB) qui ne durent que quelques secondes ou millisecondes, les GRB sont le phénomène le plus énergétique de l’Univers, et les astronomes sont impatients de les explorer davantage. Pour l’avenir, Shibata et ses collègues travaillent sur des simulations numériques plus complexes pour modéliser la fusion des étoiles à neutrons et quels en sont les résultats.

La fusion des étoiles à neutrons devrait également inclure une contribution électromagnétique et des sursauts gamma de courte durée. Cette étude sert à illustrer comment l’étude de GW a progressé à pas de géant ces dernières années et comment les observations sont plus sensibles et suivent le rythme des améliorations des ordinateurs et des simulations. Il en résulte des percées dans notre compréhension de l’univers qui se produisent de plus en plus vite ! Qui sait quelles découvertes sont au coin de la rue ?

Lire la suite : MPIGP, Évaluation physique D

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