La fusion des étoiles à neutrons est d'excellentes cibles pour l'astronomie multi-messager. Cette méthode moderne et encore très jeune d'astrophysique coordonne les observations des différents signaux de la même source astrophysique. Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision, elles émettent des ondes gravitationnelles, des neutrinos et un rayonnement à travers tout le spectre électromagnétique. Pour les détecter, les chercheurs doivent ajouter des détecteurs d'ondes gravitationnels et des télescopes de neutrinos aux télescopes ordinaires qui capturent la lumière.
Des modèles et des prédictions précis des signaux attendus sont essentiels pour coordonner ces observatoires, qui sont de nature très différente.
« Prédire les signaux multi-messager des fusions de star de neutrons binaires à partir des premiers principes est extrêmement difficile. Nous avons maintenant réussi à faire exactement cela », explique Kota Hayashi, chercheur postdoctoral dans le département d'astrophysique relativiste de l'informatique (Albert Einstein Institute) dans le parc scientifique de Potsdam. « En utilisant le supercalculateur FUGAKU au Japon, nous avons effectué la simulation la plus longue et la plus complexe d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires à ce jour. »
La simulation s'étend sur 1,5 seconde de temps réel, a pris 130 millions d'heures de processeur et a gardé entre 20 000 et 80 000 processeurs occupés à tout moment. Il comprend les effets de la théorie de la relativité générale d'Einstein, des émissions de neutrinos et de l'interaction de champs magnétiques forts avec la matière haute densité à l'intérieur des étoiles à neutrons fusionnant.
La recherche a été acceptée par Lettres d'examen physique et est actuellement disponible sur le arxiv serveur de préimprimée.
Une image complète
La simulation commence par très peu d'hypothèses – les étoiles de neutron avec de forts champs magnétiques en orbite autour des autres – et évolue le binaire auto-cohérent au fil du temps en fonction des principes physiques de base.
« Notre nouvelle simulation suit le binaire tout au long de son évolution: inspiration, fusion et phase post-fusion, y compris la formation de jet. Il fournit la première image complète de l'ensemble du processus et donc des informations précieuses pour les observations futures de ces événements », explique Hayashi.
Initialement, les deux étoiles à neutrons (simulées à 1,25 et 1,65 fois la masse de notre Soleil) se sont ouvertes cinq fois. Au cours de cette phase d'inspiration, ils tombent les uns des autres en perdant l'énergie orbitale, qui est émise comme des ondes gravitationnelles. En raison de la masse totale élevée, le reste de fusion s'effondre rapidement dans un trou noir. La simulation prédit le signal à ondes gravitationnelles, la première des signaux multi-lesseurs observables.
Après la fusion, un disque de matière se forme autour du trou noir restant. Dans le disque, le champ magnétique est amplifié par l'enroulement des lignes de champ et les effets de dynamo. L'interaction avec le rotation rapide du trou noir intensifie davantage le champ magnétique. Cela crée une sortie d'énergie le long de l'axe de rotation du trou noir.
« Nous pensons que cette énergie s'écoule le long de l'axe du trou noir, entraînée par des champs magnétiques, alimente une rafale de rayons gamma », explique Masaru Shibata, directrice du département d'astrophysique relativiste informatique. « Cela est d'accord avec ce que nous savons des observations précédentes et fournit un aperçu plus approfondi du fonctionnement interne des fusions d'étoiles à neutrons. »
Prédictions multi-ménsentées
L'équipe utilise en outre sa simulation pour dériver l'émission attendue de neutrinos à partir de fusions d'étoiles à neutrons binaires.
« Ce que nous avons appris sur la formation de jets et la dynamique des champs magnétiques est crucial pour notre interprétation et notre compréhension des fusions d'étoiles à neutrons et de leurs homologues associés », explique Shibata. La simulation fournit des informations sur la quantité de matière éjectée dans le milieu interstellaire et permet donc de prédire le Kilonova. Il s'agit du nuage lumineux de gaz et de poussière qui est riche en éléments lourds.
Lorsque la première collision de deux étoiles à neutrons le 17 août 2017 a été détectée et surveillée par des détecteurs d'ondes gravitationnels et par la suite par divers autres télescopes, les chercheurs ont découvert des éléments tels que l'or en particulier, qui sont plus lourds que le fer. Même si les physiciens théoriciens soupçonnaient de tels kilonovae de produire ces éléments particulièrement lourds, cette théorie a été confirmée pour la première fois en 2017. Seuls les éléments de fer et plus légers peuvent être créés à l'intérieur des étoiles.
