Quand les étoiles entrent en collision : dévoiler les particules cachées de l'univers

De nouvelles simulations montrent que les neutrinos créés lors de ces cataclysmiques étoile à neutrons les collisions sont brièvement hors d'équilibre thermodynamique avec les noyaux froids des étoiles en fusion.

Des simulations récentes réalisées par des physiciens de l'Université de Pennsylvanie ont montré que lors de la fusion d'étoiles binaires à neutrons, des neutrinos chauds peuvent être brièvement piégés et rester hors d'équilibre, ce qui permet de mieux comprendre ces événements cosmiques. Cette recherche souligne le rôle des simulations dans l'étude de phénomènes qui ne peuvent pas être reproduits expérimentalement.

Que se passe-t-il lorsque des étoiles à neutrons entrent en collision ?

Lorsque des étoiles s'effondrent, elles laissent souvent derrière elles des restes incroyablement denses mais relativement petits et froids appelés étoiles à neutrons. Si deux étoiles s'effondrent à proximité, les étoiles à neutrons binaires restantes s'enroulent en spirale et finissent par entrer en collision, chauffant le point de collision à des températures extrêmes.

De nouvelles simulations de ces événements montrent que les neutrinos chauds – de minuscules particules essentiellement sans masse qui interagissent rarement avec d'autres matières – qui sont créés lors de la collision peuvent être brièvement piégés à ces interfaces et rester hors d'équilibre avec les noyaux froids des étoiles en fusion pendant 2 à 4 heures. 3 millisecondes. Pendant ce temps, les simulations montrent que les neutrinos peuvent interagir faiblement avec la matière des étoiles, contribuant ainsi à ramener les particules vers l’équilibre et donnant un nouvel aperçu de la physique de ces événements puissants.

Simulations révolutionnaires de fusions d'étoiles à neutrons

Un article décrivant les simulations, par une équipe de recherche dirigée par des physiciens de Penn State, a été publié récemment dans la revue Lettres d'évaluation physique.

« Pour la première fois en 2017, nous avons observé ici sur Terre des signaux de diverses sortes, notamment ondes gravitationnellesà partir d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires », a déclaré Pedro Luis Espino, chercheur postdoctoral à Penn State et à l'Université de Californie à Los Angeles. Université de Californie, Berkeleyqui a dirigé la recherche. « Cela a suscité un énorme intérêt pour l’astrophysique des étoiles binaires à neutrons. Il n’existe aucun moyen de reproduire ces événements en laboratoire pour les étudier expérimentalement. La meilleure façon de comprendre ce qui se passe lors d’une fusion d’étoiles binaires à neutrons est donc de procéder à des simulations basées sur des mathématiques issues de la théorie de la relativité générale d’Einstein. »

Composition des étoiles à neutrons et dynamique des collisions

Les étoiles à neutrons doivent leur nom au fait qu’elles sont presque entièrement composées de neutrons, des particules non chargées qui, avec les protons chargés positivement et les électrons chargés négativement, constituent les atomes. Leur incroyable densité (seuls les trous noirs sont plus petits et plus denses) semble comprimer les protons et les électrons, les fusionnant pour former des neutrons. Une étoile à neutrons typique ne mesure que quelques dizaines de kilomètres de diamètre, mais sa masse est environ une fois et demie celle de notre Soleil, qui mesure environ 1,4 million de kilomètres de diamètre. Une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons pourrait peser autant qu’une montagne, soit des dizaines ou des centaines de millions de tonnes.

« Les étoiles à neutrons avant la fusion sont effectivement froides, même si elles peuvent atteindre des milliards de degrés Kelvin, leur incroyable densité signifie que cette chaleur contribue très peu à l'énergie du système », a déclaré David Radice, professeur adjoint de physique et d'astronomie et d'astrophysique. au Eberly College of Science de Penn State et chef de l'équipe de recherche. « Lorsqu'elles entrent en collision, elles peuvent devenir très chaudes, l'interface des étoiles en collision peut être chauffée jusqu'à des températures de plusieurs milliards de degrés Kelvin. Cependant, ils sont si denses que les photons ne peuvent pas s’échapper pour dissiper la chaleur ; nous pensons plutôt qu’ils se refroidissent en émettant des neutrinos.

Aperçu du comportement des neutrinos dans les fusions d'étoiles

Selon les chercheurs, les neutrinos sont créés lors de la collision lorsque les neutrons des étoiles s'entrechoquent et sont détruits en protons, électrons et neutrinos. Ce qui se passe ensuite dans les premiers instants après une collision est une question ouverte en astrophysique.

Pour tenter de répondre à cette question, l’équipe de recherche a créé des simulations nécessitant d’énormes quantités de puissance de calcul qui modélisent la fusion d’étoiles à neutrons binaires et toute la physique associée. Les simulations ont montré pour la première fois que, même brièvement, même les neutrinos peuvent être piégés par la chaleur et la densité de la fusion. Les neutrinos chauds sont en déséquilibre avec les noyaux encore froids des étoiles et peuvent interagir avec la matière des étoiles.

« Ces événements extrêmes repoussent les limites de notre compréhension de la physique et leur étude nous permet d’apprendre de nouvelles choses », a déclaré Radice. « La période pendant laquelle les étoiles en fusion sont hors d’équilibre n’est que de 2 à 3 millisecondes, mais comme la température, le temps est ici relatif, la période orbitale des deux étoiles avant la fusion peut être aussi courte qu’une milliseconde. Cette brève phase hors d’équilibre est celle où se produit la physique la plus intéressante. Une fois que le système revient à l’équilibre, la physique est mieux comprise. »

Les chercheurs ont expliqué que les interactions physiques précises qui se produisent lors de la fusion peuvent avoir un impact sur les types de signaux pouvant être observés sur Terre lors de la fusion d'étoiles binaires.

« La façon dont les neutrinos interagissent avec la matière des étoiles et sont finalement émis peut avoir un impact sur les oscillations des restes fusionnés des deux étoiles, ce qui à son tour peut avoir un impact sur l'apparence des signaux électromagnétiques et des ondes gravitationnelles de la fusion lorsqu'ils nous parviennent ici. sur Terre », a déclaré Espino. « Les détecteurs d’ondes gravitationnelles de nouvelle génération pourraient être conçus pour rechercher ce type de différences de signaux. De cette manière, ces simulations jouent un rôle crucial en nous permettant d’avoir un aperçu de ces événements extrêmes tout en éclairant les expériences et observations futures dans une sorte de boucle de rétroaction.

Outre Espino et Radice, l'équipe de recherche comprend les chercheurs postdoctoraux Peter Hammond et Rossella Gamba de Penn State ; Sebastiano Bernuzzi, Francesco Zappa et Luís Felipe Longo Micchi de la Friedrich-Schiller-Universität Jena en Allemagne ; et Albino Perego de l'Università di Trento en Italie.

Cette recherche a été financée par la National Science Foundation des États-Unis, le Département américain de l'énergie (DOE), le Bureau des sciences, la Division de physique nucléaire, la Deutsche Forschungsgemeinschaft et les initiatives Horizon 2020 et Europe Horizon de l'Union européenne. Les simulations ont été réalisées sur des supercalculateurs Bridges2, Expanse, Frontera et Perlmutter. La recherche a utilisé les ressources du National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE soutenue par le Bureau des sciences du Département américain de l'énergie. Les auteurs ont remercié le Gauss Centre for Supercomputing eV

pour avoir financé ce projet en fournissant du temps de calcul sur le supercalculateur GCS SuperMUC-NG du Leibniz Supercomputing Centre.