Les fusions d'étoiles de neutrons binaires, les collisions cosmiques entre deux restes stellaires très denses composés principalement de neutrons, ont été le sujet de nombreuses études d'astrophysique en raison de leur physique sous-jacente fascinante et de leurs possibles résultats cosmologiques. La plupart des études antérieures visaient à simuler et à mieux comprendre ces événements reposaient sur des méthodes de calcul conçues pour résoudre les équations d'Einstein de relativité générale dans des conditions extrêmes, telles que celles qui seraient présentes lors des fusions d'étoiles à neutrons.
Researchers at the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute), Yukawa Institute for Theoretical Physics, Chiba University, and Toho University recently performed the longest simulation of binary neutron star mergers to date, utilizing a framework for modeling the interactions between magnetic fields, high-density matter and neutrinos, known as the neutrino-radiation cadre magnétohydrodynamique (MHD).
Leur simulation, décrite dans Lettres d'examen physiquerévèle l'émergence d'un jet dominé magnétiquement de la fusion, suivi de l'effondrement du système d'étoiles de neutrons binaires dans un trou noir.
« En 2019, les détecteurs d'ondes gravitationnels ont détecté un événement provenant d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires qui s'est effondrée à un trou noir juste après la fusion », a déclaré Kota Hayashi, premier auteur du journal, à Issues.fr. « Ce travail vise à clarifier la fusion et la dynamique post-fusion d'une fusion aussi rapidement effondrée et prédire des signaux multi-méprisants (onde gravitationnelle, émissions électromagnétiques, émissions de neutrinos) à partir d'un événement prévue. »
La fusion simulée par Hayashi et ses collègues se situe entre deux étoiles à neutrons de masses différentes, l'une des 1,25 et l'autre de 1,65 masses solaires. Leur simulation était enracinée dans la soi-disant équation d'état SFHO, un modèle mathématique qui décrit comment la matière se comporte dans des conditions extrêmes (par exemple, à des températures, des densités et des pressions extrêmes), telles que celles à l'intérieur des étoiles à neutrons.
« Nous avons effectué une simulation qui comprend l'évolution du champ gravitationnel, du rayonnement des neutrinos, du champ magnétique et de l'hydrodynamique », a expliqué Hayashi. « Tous ces effets jouent un rôle crucial dans le système. Nous avons évolué le système jusqu'à 1,5 seconde record de temps réel en utilisant le supercalculateur japonais Fugaku. »
Les chercheurs ont observé qu'après sa fusion, le système d'étoiles à neutrons binaires qu'ils avait simulé rapidement s'est effondré dans un trou noir, entouré d'un disque d'accrétion turbulent, une structure en forme de disque tournante. Comme il est entraîné par une instabilité magnéto-rotationnelle, ce disque contribue à l'éjection de la masse et produit un flux soi-disant Poynting (c'est-à-dire un débit d'énergie transporté par des champs électromagnétiques). Cela a abouti à l'émergence d'un jet magnétiquement entraîné avec une luminosité équivalente à environ 10⁴⁹ ERG / s le long de l'axe de rotation du trou noir.
« Il s'agit du premier travail à découvrir le lancement du jet magnétique à partir d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires qui s'est effondrée à un trou noir juste après la fusion », a déclaré Hayashi.
« Cela montre que ce type de système peut conduire une rafale de rayons gamma, l'événement d'explosion le plus énergique de l'univers. Nous avons précisé que le champ magnétique qui entraîne le jet est généré dans le disque d'accrétion post-fusion via un mécanisme appelé Dynamo. »
La simulation gérée par Hayashi et ses collègues jette une nouvelle lumière sur la physique complexe des fusions d'étoiles à neutrons binaires, montrant que lorsque ces fusions sont suivies par la formation de trous noirs, ils pourraient également conduire à l'émergence d'un jet à aiguille magnétique. À l'avenir, il pourrait aider à améliorer les théories astrophysiques existantes, liant potentiellement des modèles de fusions d'étoiles à neutrons avec celles décrivant la production de rafales de rayons gamma (c'est-à-dire des explosions à courte durée de vie de rayonnement à haute énergie avec des longueurs d'onde très courtes).
« Cette étude s'est principalement concentrée uniquement sur la dynamique de la fusion, de l'éjection de masse et du lancement de jet », a ajouté Hayashi. « Des recherches détaillées plus détaillées axées sur les émissions électromagnétiques basées sur cette simulation sont nécessaires pour interpréter les observations prévues.
« De plus, l'accélération du jet, qui représente plus de 99,9% de la vitesse de la lumière, est impliquée à partir de l'observation des rafales de rayons gamma et n'est pas capturée dans la simulation actuelle. Des études futures pour clarifier le processus d'accélération sont nécessaires pour bien comprendre l'éclatement des rayons gamma. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Lisa Lock, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
