La simulation tridimensionnelle de la supernova exotique révèle les structures turbulentes générées lors de l’éjection de matière lors de l’explosion. Ces structures turbulentes ont ensuite un impact sur la luminosité et la structure d’explosion de l’ensemble de la supernova. La turbulence joue un rôle essentiel dans le processus d’explosion d’une supernova, résultant d’un mouvement irrégulier d’un fluide, conduisant à une dynamique complexe. Ces structures turbulentes mélangent et déforment la matière, influençant la libération et le transfert d’énergie, affectant ainsi la luminosité et l’apparence de la supernova. Grâce à des simulations tridimensionnelles, les scientifiques acquièrent une compréhension plus approfondie des processus physiques des explosions particulières de supernova et peuvent expliquer les phénomènes observés et les caractéristiques de ces supernovae extraordinaires. Crédit : Ke-Jung Chen/ASIAA
Une équipe internationale d’astronomes a utilisé les puissants superordinateurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley aux États-Unis et de l’Observatoire astronomique national du Japon. Après des années de recherche dévouée et de consommation de plus de cinq millions d’heures de calcul sur superordinateur, ils ont finalement créé les premières simulations hydrodynamiques de rayonnement 3D haute résolution au monde pour les supernovae exotiques ! Cette découverte paraîtra dans le dernier numéro de Le Journal d’astrophysique.
Les explosions de supernova sont la fin la plus spectaculaire pour les étoiles massives, car elles terminent leur cycle de vie de manière autodestructrice, libérant instantanément une luminosité équivalente à des milliards de soleils, illuminant l’univers entier. Lors de cette explosion, les éléments lourds formés au sein de l’étoile sont également éjectés, jetant les bases de la naissance de nouvelles étoiles et planètes et jouant un rôle crucial dans l’origine de la vie. Par conséquent, les supernovae sont devenues l’un des sujets de premier plan de l’astrophysique moderne, englobant de nombreuses questions astronomiques et physiques importantes, tant en théorie qu’en observation, et présentant une valeur de recherche significative.
Au cours du dernier demi-siècle, la recherche nous a permis d’acquérir une compréhension relativement complète des supernovae. Cependant, les dernières observations à grande échelle des supernovas ont commencé à révéler de nombreuses explosions stellaires inhabituelles (supernovae exotiques), qui remettent en question et renversent les connaissances précédemment établies sur la physique des supernovas.
Mystères des supernovae exotiques
Parmi les supernovae exotiques, les supernovae superlumineuses et les supernovae éternellement lumineuses sont les plus déroutantes. La luminosité des supernovae superlumineuses est environ 100 fois supérieure à celle des supernovae ordinaires, qui ne conservent généralement leur luminosité que pendant quelques semaines à 2-3 mois. En revanche, les supernovae éternellement lumineuses récemment découvertes peuvent conserver leur luminosité pendant plusieurs années, voire plus.
Ce qui est encore plus étonnant, c’est que quelques supernovae exotiques présentent des variations de luminosité irrégulières et intermittentes, ressemblant à des éruptions semblables à des fontaines. Ces supernovae particulières pourraient détenir la clé pour comprendre l’évolution des étoiles les plus massives de l’univers.
Cette image représente les distributions physiques finales de la supernova exotique, avec quatre quadrants de couleurs distincts représentant différentes grandeurs physiques : I. température, II. vitesse, III. densité d’énergie radiative, et IV. densité du gaz. Le cercle pointillé blanc indique la position de la photosphère de la supernova. A partir de cette image, l’étoile entière devient turbulente de l’intérieur vers l’extérieur. Les positions où les matériaux éjectés entrent en collision correspondent étroitement à la photosphère, indiquant la production d’un rayonnement thermique lors de ces collisions, qui se propage efficacement vers l’extérieur et crée simultanément une couche de gaz inégale. Cette image nous aide à comprendre la physique sous-jacente aux supernovae exotiques et fournit une explication des phénomènes observés. Crédit : Ke-Jung Chen/ASIAA
Origines et structures évolutives
Les origines de ces supernovae exotiques ne sont pas encore entièrement comprises, mais les astronomes pensent qu’elles pourraient provenir d’étoiles massives inhabituelles. Pour les étoiles dont la masse varie de 80 à 140 fois celle du Soleil, à l’approche de la fin de leur vie, leur noyau subit des réactions de fusion du carbone. Au cours de ce processus, des photons de haute énergie peuvent créer des paires électron-positon, déclenchant des pulsations dans le noyau et conduisant à plusieurs contractions violentes.
Ces contractions libèrent de grandes quantités d’énergie de fusion et déclenchent des explosions, entraînant de grandes éruptions dans les étoiles. Ces éruptions elles-mêmes peuvent être similaires aux explosions régulières de supernova. De plus, lorsque des matériaux issus de différentes périodes d’éruption entrent en collision, il est possible de produire des phénomènes similaires aux supernovae superlumineuses.
Actuellement, le nombre d’étoiles aussi massives dans l’univers est relativement rare, ce qui correspond à la rareté des supernovae particulières. Par conséquent, les scientifiques soupçonnent que les étoiles dont la masse varie de 80 à 140 fois celle du Soleil sont très probablement les ancêtres de supernovae particulières. Cependant, les structures évolutives instables de ces étoiles rendent leur modélisation assez difficile, et les modèles actuels restent principalement confinés à des simulations unidimensionnelles.
Limites des modèles précédents
Cependant, de sérieuses lacunes ont été constatées dans les modèles unidimensionnels précédents. Les explosions de supernova génèrent des turbulences importantes, et la turbulence joue un rôle crucial dans l’explosion et la luminosité des supernovae. Néanmoins, les modèles unidimensionnels sont incapables de simuler la turbulence à partir des premiers principes. Ces défis ont fait de la compréhension approfondie des mécanismes physiques à l’origine des supernovae exotiques un problème majeur de l’astrophysique théorique actuelle.
Un bond en avant dans les capacités de simulation
Cette simulation haute résolution d’explosions de supernova présentait d’immenses défis. À mesure que l’échelle de la simulation augmentait, le maintien d’une haute résolution devenait de plus en plus difficile, augmentant considérablement la complexité et les exigences de calcul, tout en nécessitant également la prise en compte de nombreux processus physiques. Ke-Jung Chen a souligné que le code de simulation de leur équipe présentait des avantages par rapport aux autres groupes concurrents en Europe et en Amérique.
Les simulations pertinentes précédentes étaient principalement limitées à des modèles de fluides unidimensionnels et à quelques modèles de fluides bidimensionnels, alors que dans les supernovae exotiques, les effets multidimensionnels et le rayonnement jouent un rôle crucial, influençant les émissions de lumière et la dynamique globale de l’explosion.
La puissance des simulations hydrodynamiques des radiations
Les simulations hydrodynamiques des rayonnements prennent en compte la propagation du rayonnement et ses interactions avec la matière. Ce processus complexe de transport des rayonnements rend les calculs extrêmement difficiles, avec des exigences et des difficultés de calcul bien supérieures à celles des simulations fluides. Cependant, grâce à la riche expérience de l’équipe dans la modélisation des explosions de supernova et dans l’exécution de simulations à grande échelle ; ils ont finalement réussi à créer les premières simulations hydrodynamiques de rayonnement tridimensionnelles au monde de supernovae exotiques.
Résultats et implications
Les résultats de l’équipe de recherche indiquent que le phénomène d’éruptions intermittentes dans les étoiles massives peut présenter des caractéristiques similaires à celles des supernovae à intensité multiple. Lorsque des matériaux issus de différentes périodes d’éruption entrent en collision, environ 20 à 30 % de l’énergie cinétique du gaz peut être convertie en rayonnement, ce qui explique le phénomène de supernovae superlumineuse.
De plus, l’effet de refroidissement par rayonnement amène le gaz en éruption à former une structure en feuille tridimensionnelle dense mais inégale, et cette couche de la feuille devient la principale source d’émission de lumière dans la supernova. Les résultats de leurs simulations expliquent efficacement les caractéristiques d’observation des supernovae exotiques mentionnées ci-dessus.
Grâce aux simulations de pointe sur superordinateurs, cette étude fait des progrès significatifs dans la compréhension de la physique des supernovae exotiques. Avec le lancement des projets d’étude des supernovas de nouvelle génération, les astronomes détecteront des supernovae plus exotiques, ce qui permettra de mieux comprendre les dernières étapes des étoiles massives habituelles et leurs mécanismes d’explosion.
