Des scientifiques proposent une nouvelle explication pour un sursaut gamma « impossible »

La première simulation numérique à grande échelle de la fusion trou noir-étoile à neutrons correspond à des observations déroutantes.

En 2022, des scientifiques de l’Université Northwestern ont présenté de nouvelles données d’observation indiquant que les longs sursauts gamma (GRB) pourraient provenir de la collision d’une étoile à neutrons avec un autre corps céleste dense, comme une autre étoile à neutrons ou un trou noir – une découverte qui a été que l’on croyait auparavant impossible.

Aujourd’hui, une autre équipe de Northwestern propose une explication potentielle de ce qui a généré cet éclat de lumière sans précédent et incroyablement lumineux.

Après avoir développé la première simulation numérique qui suit l’évolution du jet dans un trou noir–étoile à neutrons fusion sur de grandes distances, les astrophysiciens ont découvert que le trou noir post-fusion peut lancer des jets de matière depuis l’étoile à neutrons avalée.

Mais les ingrédients clés sont la masse du violent tourbillon de gaz (ou disque d’accrétion) entourant le trou noir et la force du champ magnétique du disque. Dans les disques massifs, lorsque le champ magnétique est fort, le trou noir lance un jet de courte durée qui est beaucoup plus brillant que tout ce qui a jamais été observé dans les observations. Cependant, lorsque le disque massif a un champ magnétique plus faible, le trou noir lance un jet avec la même luminosité et la même durée que le mystérieux GRB (baptisé GRB211211A) repéré en 2021 et signalé en 2022.

Non seulement cette nouvelle découverte aide à expliquer les origines des longs GRB, mais elle donne également un aperçu de la nature et de la physique des trous noirs, de leurs champs magnétiques et de leurs disques d’accrétion.

Simulation complète de l’évolution à grande échelle d’un jet issu d’une fusion trou noir-étoile à neutrons. Crédit : Ore Gottlieb/Université du nord-ouest

L’étude a été récemment publiée dans le Journal d’astrophysique.

« Jusqu’à présent, personne d’autre n’a développé de travaux numériques ou de simulations qui suivent systématiquement un avion à réaction depuis la fusion d’un objet compact jusqu’à la formation du jet et son évolution à grande échelle », a déclaré Ore Gottlieb de Northwestern, qui a codirigé les travaux. . « La motivation de notre travail était de faire cela pour la première fois. Et ce que nous avons trouvé correspondait aux observations de GRB211211A.

« Les fusions d’étoiles à neutrons sont un phénomène captivant multi-messagers, qui génèrent à la fois des ondes gravitationnelles et électromagnétiques », a déclaré Danat Issa de Northwestern, qui a codirigé les travaux avec Gottlieb. « Cependant, la simulation de ces événements pose un défi en raison des vastes séparations d’échelles spatiales et temporelles impliquées ainsi que de la diversité physique opérant à ces échelles. Pour la première fois, nous avons réussi à modéliser de manière exhaustive la séquence complète du processus de fusion des étoiles à neutrons. »

Au cours de la recherche, Gottlieb était boursier CIERA au Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA) de Northwestern ; il est maintenant chercheur Flatiron au Centre d’astrophysique computationnelle du Flatiron Institute. Issa est étudiant diplômé au Département de physique et d’astronomie du Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du CIERA. Issa est conseillé par le co-auteur de l’article Alexander Tchekhovskoy, professeur agrégé de physique et d’astronomie à Weinberg et membre du CIERA.

Kilonova curieux

Lorsque les astronomes ont repéré GRB211211A pour la première fois en décembre 2021, ils ont initialement supposé que l’événement d’une durée de 50 secondes était généré par l’effondrement d’une étoile massive. Mais en examinant la longue émission tardive du GRB, appelée rémanence, ils ont découvert des preuves d’une kilonova, un événement rare qui ne se produit qu’après la fusion d’une étoile à neutrons avec un autre objet compact.

La découverte (publiée dans Nature en décembre 2022) a bouleversé la croyance établie et acceptée depuis longtemps selon laquelle seules les supernovae pouvaient générer de longs GRB.

« GRB 211211A a ravivé l’intérêt pour l’origine des GRB de longue durée qui ne sont pas associés à des étoiles massives, mais proviennent probablement de fusions binaires compactes », a déclaré Gottlieb.

Emplacement du GRB 211211A, entouré en rouge, capturé à l’aide de trois filtres sur la caméra grand champ 3 de Hubble. Crédit : NASA, ESA, Rastinejad et al. (2022)

De la pré-fusion au long GRB

Pour mieux révéler ce qui se passe lors des événements de fusion compacte, Gottlieb, Issa et leurs collaborateurs ont cherché à simuler l’ensemble du processus – depuis avant la fusion jusqu’à la fin de l’événement GRB, lorsque les avions producteurs de GRB se sont arrêtés. Parce qu’il s’agit d’un exploit extrêmement coûteux en termes de calcul, le scénario dans son intégralité n’avait jamais été modélisé auparavant. Gottlieb et Issa ont surmonté ce défi en divisant le scénario en deux simulations.

Tout d’abord, les chercheurs ont effectué une simulation de la phase précédant la fusion. Ensuite, ils ont pris le résultat de la première simulation et l’ont connecté à la simulation post-fusion.

« Comme l’espace-temps utilisé par les deux simulations est différent, cette reprogrammation n’a pas été aussi simple que nous l’avions espéré, mais Danat l’a compris », a déclaré Tchekhovskoy.

« La connexion en série des deux simulations nous a permis de rendre le calcul beaucoup moins coûteux », a déclaré Gottlieb. « La physique est très compliquée dans la phase de pré-fusion car il y a deux objets. Cela devient beaucoup plus simple après la pré-fusion car il n’y a qu’un seul trou noir.

Dans la simulation, les objets compacts ont d’abord fusionné pour créer un trou noir plus massif. La gravité intense du trou noir a attiré vers lui les débris de l’étoile à neutrons désormais détruite. Avant que les débris ne tombent dans le trou noir, certains d’entre eux ont d’abord tourbillonné autour du trou noir comme un disque d’accrétion. Dans la configuration étudiée, le disque émergent était particulièrement massif avec une masse dix fois inférieure à celle de notre soleil. Ensuite, lorsque la masse est tombée du disque dans le trou noir, elle a propulsé le trou noir pour lancer un jet qui a accéléré jusqu’à une vitesse proche de la lumière.

Les propriétés du disque sont importantes

Une surprise est apparue lorsque les chercheurs ont ajusté la force du champ magnétique du disque massif. Alors qu’un champ magnétique puissant produisait un GRB court et incroyablement brillant, un champ magnétique faible générait un jet qui correspondait aux observations de GRB longs.

« Plus le champ magnétique est fort, plus sa durée de vie est courte », a déclaré Gottlieb. « Les champs magnétiques faibles produisent des jets plus faibles que le trou noir nouvellement formé peut maintenir plus longtemps. Un ingrédient clé ici est le disque massif qui peut maintenir, avec de faibles champs magnétiques, un GRB cohérent avec les observations et comparable à la luminosité et à la longue durée du GRB211211A. Bien que nous ayons constaté que ce système binaire spécifique donne naissance à un GRB long, nous nous attendons également à ce que d’autres fusions binaires produisant des disques massifs conduisent à un résultat similaire. C’est simplement une question de masse de disque après la fusion.

Bien entendu, « long » est relatif dans ce scénario. Les GRB sont divisés en deux classes. Les GRB d’une durée inférieure à deux secondes sont considérés comme courts. Si un GRB dure deux secondes ou plus, il est alors considéré comme long. Même des événements aussi brefs sont encore exceptionnellement difficiles à modéliser.

« Une grande partie de ce matériau de disque est finalement consommée par le trou noir, l’ensemble du processus ne durant que quelques secondes », a déclaré Issa. « C’est là que réside le principal défi : il est très difficile de capturer l’évolution de ces fusions, à l’aide de simulations sur superordinateurs, sur une période de plusieurs secondes. »

Prochaine étape : les neutrinos

Maintenant que Gottlieb et Issa ont modélisé avec succès et de manière exhaustive la séquence complète de la fusion, ils sont ravis de continuer à mettre à jour et à améliorer leurs modèles.

«Mes efforts actuels visent à améliorer la condition physique précision des simulations », a déclaré Issa. « Cela implique l’incorporation du refroidissement des neutrinos, un composant essentiel susceptible d’influencer de manière significative la dynamique du processus de fusion. En outre, l’inclusion des neutrinos constitue une étape cruciale vers une évaluation plus précise de la composition nucléaire des matières éjectées à la suite de ces fusions. Grâce à cette approche, mon objectif est de fournir une image plus complète et plus précise des fusions d’étoiles à neutrons.

L’étude a été financée par NASAla National Science Foundation et le Département américain de l’Énergie.