La collision et la fusion de deux étoiles à neutrons – les restes incroyablement denses des étoiles effondrés – sont certains des événements les plus énergiques de l'univers, produisant une variété de signaux qui peuvent être observés sur Terre.
De nouvelles simulations de fusions d'étoiles à neutrons par une équipe de Penn State et de l'Université du Tennessee Knoxville révèlent que le mélange et le changement de minuscules particules appelées neutrinos qui peuvent parcourir les distances astronomiques non perturbées les impacts comment la fusion se déroule, ainsi que les émissions qui en résultent. Les résultats ont des implications pour des questions de longue date sur les origines des métaux et des éléments des terres rares ainsi que pour comprendre la physique dans des environnements extrêmes, ont déclaré les chercheurs.
L'article, publié dans la revue Lettres d'examen physiqueest le premier à simuler la transformation des « saveurs » des neutrinos dans les fusions d'étoiles à neutrons. Les neutrinos sont des particules fondamentales qui interagissent faiblement avec d'autres matières et se présentent en trois saveurs, nommées pour les autres particules auxquelles ils s'associent: Electron, Muon et Tau. Dans des conditions spécifiques, y compris l'intérieur d'une étoile à neutrons, les neutrinos peuvent théoriquement changer les saveurs, ce qui peut changer les types de particules avec lesquelles ils interagissent.
« Les simulations antérieures de fusions d'étoiles à neutrons binaires n'ont pas inclus la transformation de la saveur des neutrinos », a déclaré Yi Qiu, étudiant diplômé en physique du Penn State Eberly College of Science et premier auteur du journal.
« Cela est en partie dû au fait que ce processus se produit sur une échelle de temps en nanoseconde et est très difficile à capturer et en partie parce que, jusqu'à récemment, nous n'en savions pas assez sur la physique théorique sous-jacente à ces transformations, qui ne relève pas du modèle standard de la physique.
« Dans nos nouvelles simulations, nous avons constaté que l'étendue et l'emplacement du mélange et de la transformation des neutrinos ont un impact sur la question qui est éjectée de la fusion, la structure et la composition de ce qui reste après la fusion – le reste – ainsi que le matériau qui l'entoure. »
Les chercheurs ont construit une simulation informatique d'une fusion d'étoiles à neutrons à partir de zéro, incorporant une variété de processus physiques, notamment la gravité, la relativité générale, l'hydrodynamique et le mélange de neutrinos. Ils ont également expliqué la transformation des neutrinos de saveur électronique en saveur de muon, qui, selon les chercheurs, est la transformation des neutrinos la plus pertinente dans cet environnement. Ils ont modélisé plusieurs scénarios, variant le timing et l'emplacement du mélange ainsi que la densité du matériau environnant.
Les chercheurs ont constaté que tous ces facteurs ont influencé la composition et la structure du reste de la fusion, y compris le type et les quantités d'éléments créés lors de la fusion. Au cours d'une collision, les neutrons d'une étoile à neutrons peuvent être lancés dans d'autres atomes dans les débris, qui peuvent capturer les neutrons et finalement se décomposer en éléments plus lourds, tels que des métaux lourds comme l'or et le platine ainsi que des éléments de terres rares qui sont utilisés sur Terre dans des téléphones intelligents, des batteries de véhicules électriques et d'autres dispositifs.
« La saveur d'un neutrino change de la façon dont elle interagit avec d'autres matières », a déclaré David Radice, professeur de physique en début de carrière et professeur agrégé d'astronomie et d'astrophysique au Penn State Eberly College of Science et auteur du journal. « Les neutrinos de type électronique peuvent prendre un neutron, l'une des trois parties de base d'un atome, et la transformer en deux autres, un proton et un électron. Mais les neutrinos de type muon ne peuvent pas le faire.
« Ainsi, la conversion des saveurs de neutrinos peut modifier le nombre de neutrons disponibles dans le système, ce qui a un impact direct sur la création de métaux lourds et d'éléments de terres rares. Il y a encore de nombreuses questions persistantes sur l'origine cosmique de ces éléments importants, et nous avons constaté que la prise en compte du mélange de neutrinos pourrait augmenter la production d'éléments par le biais d'un facteur de 10. »
Le mélange de neutrinos pendant la fusion a également influencé la quantité et la composition de la matière éjectée de la fusion, qui, selon les chercheurs, pourrait modifier les émissions détectables de la Terre. Ces émissions incluent généralement des ondes gravitationnelles – les frappes dans l'espace, ainsi que le rayonnement électromagnétique comme les rayons X ou les rayons gamma.
« Dans nos simulations, le mélange de neutrinos a eu un impact sur les émissions électromagnétiques des fusions d'étoiles à neutrons et peut-être également les ondes gravitationnelles », a déclaré Radice.
« Avec des détecteurs de pointe comme Ligo, Virgo et Kagra et leurs homologues de nouvelle génération, tels que l'Observatoire Cosmic Explorer proposé qui pourrait commencer les opérations dans les années 2030, les astronomes sont prêts à détecter les ondes gravitationnelles plus souvent qu'auparavant.
Les chercheurs ont déclaré que la modélisation des processus de mélange était similaire à ce qu'un pendule soit bouleversé. Initialement, de nombreux changements se sont produits sur une échelle de temps incroyablement rapide, mais finalement le pendule s'installe à un équilibre stable. Mais une grande partie de cela, ont-ils dit, est une hypothèse.
« Il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas sur la physique théorique de ces transformations de neutrinos », a déclaré Qiu. « Alors que la physique théorique des particules continue de progresser, nous pouvons améliorer considérablement nos simulations. Ce qui reste incertain, c'est où et comment ces transformations se produisent dans les fusions d'étoiles à neutrons. Notre compréhension actuelle suggère qu'ils sont très probables, et nos simulations montrent que, s'ils se produisent, ils peuvent avoir des effets majeurs, ce qui rend important de les inclure dans les futurs modèles et analyses. »
Maintenant que l'infrastructure de ces simulations complexes a été créée, les chercheurs ont déclaré qu'ils s'attendent à ce que d'autres groupes utilisent la technologie pour continuer à explorer les impacts du mélange de neutrinos.
« Les fusions d'étoiles à neutrons fonctionnent comme des laboratoires cosmiques, fournissant des informations importantes sur la physique extrême que nous ne pouvons pas reproduire en toute sécurité sur Terre », a déclaré Radice.
En plus de Qiu et Radice, l'équipe de recherche comprend Maitraya Bhattacharyya, un boursier postdoctoral au Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos, et Sherwood Richers à l'Université du Tennessee, Knoxville.
