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

Il y a près de sept ans (14 septembre 2015), des chercheurs de l’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) ont détecté pour la première fois des 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 ont été observés qui ont été créés par des systèmes binaires de deux trous noirs, deux étoiles à neutrons ou une de chaque. Ce dernier scénario présente des opportunités très intéressantes pour les astronomes.

Si une fusion implique un trou noir et une étoile à neutrons, l’événement produira des GW et un affichage lumineux sérieux ! En utilisant les données recueillies à partir des trois fusions trou noir-étoile à neutrons que nous avons détectées jusqu’à présent, une équipe d’astrophysiciens du Japon et d’Allemagne a pu modéliser le processus complet de la collision d’un trou noir avec une étoile à neutrons, qui comprenait tout, depuis les orbites finales du binaire à la phase de fusion et post-fusion. Leurs résultats pourraient aider à éclairer les futures enquêtes 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 qui décrit leurs découvertes a été dirigé par le professeur YITP Koto Hayashi et a récemment paru dans la revue scientifique Examen 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 : Collaboration LIGO Virgo / Frank Elavsky, Aaron Geller / Northwestern

Pour récapituler, les GW sont de mystérieuses ondulations dans l’espace-temps prédites à l’origine par la théorie générale de la relativité d’Einstein. Ils sont créés chaque fois que des objets massifs fusionnent et créent des perturbations de marée dans le tissu même 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’une d’entre elles – GW170817, détectée le 17 août 2017 – les astronomes ont détecté une contrepartie électromagnétique aux GW qu’elle a produites.

Dans les années à venir, les télescopes et les interféromètres de plus grande sensibilité devraient voir beaucoup plus de ces événements. Sur la base des mécanismes impliqués, les scientifiques prévoient que les fusions trou noir-étoile à neutrons comprendront de la matière éjectée du système et une énorme libération de rayonnement (qui pourrait inclure de courtes sursauts gamma). Pour leur étude, l’équipe a modélisé à quoi ressembleraient les fusions trou noir-étoile à neutrons pour tester ces prédictions.

Ils ont sélectionné deux systèmes modèles différents composés d’un trou noir en rotation et d’une étoile à neutrons, le trou noir étant fixé à 5,4 et 8,1 masses solaires et l’étoile à neutrons à 1,35 masses solaires. Ces paramètres ont été sélectionnés de manière à ce que l’étoile à neutrons soit susceptible d’être déchirée par les forces de marée. Le processus de fusion a été simulé à l’aide de la grappe d’ordinateurs “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 dure une à deux secondes – cela semble court, mais en fait, il se passe beaucoup de choses pendant ce temps : 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 une nouvelle éjection de matière dans un jet. Ce jet à haute énergie est probablement aussi à l’origine de courts sursauts gamma, dont l’origine est encore mystérieuse. Les résultats de la simulation indiquent également que la matière éjectée devrait 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 le côté gauche, la simulation montre le profil de densité sous forme de contours bleus et verts, les lignes de champ magnétique qui pénètrent dans le trou noir sont représentées sous forme de courbes roses et la matière éjectée du système sous forme de masses blanches nuageuses. Sur le côté droit, l’intensité du champ magnétique de la fusion est représentée en magenta, tandis que les lignes de champ apparaissent sous forme de courbes bleu clair.

Au final, leurs simulations ont montré que lors du 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 une branche, une partie de la matière a été éjectée du système tandis que le reste (02.-0.3 masses solaires) 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, provoquant un jet focalisé de rayonnement électromagnétique et de matière. Ce jet émane des pôles, semblable à ce que l’on voit souvent avec les noyaux galactiques actifs (AGN), et pourrait entraîner une courte rafale de rayons gamma. Ce qui était particulièrement stupéfiant, c’est que si les simulations ont mis deux mois à être générées, 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. C’est pourquoi 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, telle que 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 d’artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons. Les faisceaux étroits représentent le sursaut gamma, tandis que la grille spatio-temporelle ondulée indique les ondes gravitationnelles. Crédit : National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Les simulations à long terme permettent également aux astronomes d’explorer 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 souhaitent les étudier plus avant. Pour l’avenir, Shibata et ses collègues travaillent sur des simulations numériques plus complexes pour modéliser la fusion des étoiles à neutrons et ce qui en résulte.

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 plus sensibles et suivre le rythme des améliorations dans le calcul et les simulations. Le résultat est des percées dans notre compréhension de l’Univers qui se produisent à un rythme toujours croissant ! Qui sait quelles découvertes pourraient se trouver juste au coin de la rue ?

Lectures complémentaires : MPIGP, Examen physique D

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