Les fusions d'étoiles à neutrons sont des collisions entre les étoiles à neutrons, les noyaux effondrés de ce qui était autrefois des étoiles supergiantes massives. Ces fusions sont connues pour générer des ondes gravitationnelles, des ondes portant l'énergie se propageant à travers un champ gravitationnel, qui émerge de l'accélération ou de la perturbation d'un corps massif.
Les collisions entre les étoiles à neutrons ont fait l'objet de nombreuses études de physique théorique, car une compréhension plus approfondie de ces événements pourrait donner des informations intéressantes sur le comportement de la matière à des densités extrêmes. Le comportement de la matière à des densités extrêmement élevés est actuellement décrit par un cadre théorique connu sous le nom d'équation d'État (EOS).
Des recherches récentes en astrrophysique ont exploré la possibilité que les caractéristiques de l'EOS, telles que les transitions de phase ou un croisement de quark-hadron, puissent être déduites du spectre d'ondes gravitationnelles observées après que les étoiles de neurones ont fusionné. Cependant, la plupart de ces travaux théoriques n'ont pas pris en compte les effets des champs magnétiques sur ce spectre.
Des chercheurs de l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign et de l'Université de Valence ont récemment réalisé une série de simulations visant à mieux comprendre l'impact des champs magnétiques sur les fréquences oscillantes des étoiles à neutrons post-fusion. Leur article, publié dans Lettres d'examen physiquemontre que les champs magnétiques seuls peuvent également entraîner des changements de fréquence, donc l'interprétation des observations de fusion des étoiles de neutrons pourrait être plus difficile que prévu précédemment.
« Les observatoires d'ondes gravitationnelles de nouvelle génération, comme Cosmic Explorer, pourront détecter la fusion réelle de deux étoiles à neutrons car elles forment un seul objet compact rotatif et les différentes fréquences d'oscillations associées au processus de fusion », a déclaré Antonios Tsokaros, auteur principal de l'article, à Issues.fr.
« Ces fréquences codent pour bon nombre des caractéristiques des étoiles à neutrons. Par conséquent, les identifier correctement nous permettra de comprendre de nombreuses propriétés encore inconnues de ces objets extraordinaires. »
Les étoiles à neutrons ont deux caractéristiques principales qui doivent encore être pleinement comprises et les rendent fascinantes de laboratoires physiques. Premièrement, ils possèdent des propriétés thermodynamiques uniques, telles que celles décrites par l'EOS, dans son cœur. En raison de ces propriétés, juste une cuillerée de matériau d'étoile à neutrons pèse autant que le mont Everest.
L'autre caractéristique clé des étoiles à neutrons est leur champ magnétique. Pendant les fusions d'étoiles à neutrons, ce champ magnétique peut atteindre des valeurs de plus d'un milliard de fois plus élevé que le plus grand champ magnétique jamais créé par les humains.
« Notre travail essaie systématiquement de comprendre l'effet du champ magnétique sur les fréquences oscillantes de l'étoile de neutrons post-fusion et d'informer sur divers effets concurrents », a déclaré Tsokaros. « Les travaux antérieurs d'autres chercheurs ont été trop optimistes en essayant d'identifier les propriétés thermodynamiques à l'intérieur des étoiles à neutrons en ignorant complètement les effets qui proviennent de son champ magnétique. D'autre part, nous montrons explicitement que cette omission peut être trompeuse et que le champ magnétique devrait être inclus pour l'interprétation correcte des observations. »
Dans le cadre de leur étude récente, Tsokaros et ses collègues ont effectué des simulations générales de magnétohydrodynamiques relativistes pour explorer les effets des champs magnétiques sur les fréquences oscillantes des étoiles à neutrons post-fusion. Dans ces simulations, ils ont utilisé deux étoiles à neutrons, deux masses d'étoiles à neutrons différentes et trois topologies de champ magnétique différentes.
« Le champ magnétique est amplifié à de grandes valeurs pendant la fusion », a expliqué Jamie Bamber, un post-doctorant travaillant avec les professeurs Tsokaros et Shapiro. « Nos simulations ont montré que le champ magnétique fort fait osciller le reste de la fusion et produit des ondes gravitationnelles à une fréquence plus élevée. Cette augmentation de la fréquence peut masquer les déplacements de fréquence d'une origine différente comme un changement dans les EOS, ce qui rend l'interprétation des observations possibles plus compliqué qu'auparavant. »
Le professeur Milton Ruiz a ajouté: « Pour faire une évaluation précise de la phase post-fusion dans les fusions d'étoiles de neutrons binaires, il faut donc inclure les effets du champ magnétique. Ne pas le faire peut conduire à des conclusions erronées sur les propriétés physiques du système. »
Dans l'ensemble, cette étude récente suggère que les effets des champs magnétiques pourraient compliquer l'interprétation des données d'ondes gravitationnelles provenant de fusions d'étoiles à neutrons. Dans leurs recherches futures, Tsokaros et ses collègues prévoient de corroborer leurs résultats récents en effectuant d'autres simulations à des résolutions encore plus élevées qui étaient auparavant prohibitives sur le calcul.
« La détection simultanée en 2017 d'ondes gravitationnelles par Ligo et une radiographie gamma éclatée par des satellites de la NASA à partir de la même source cosmique marquait la première fois qu'une fusion d'étoiles à neutrons binaires a été identifiée », a déclaré le professeur Stuart L. Shapiro.
« Cela a marqué une percée dans l'astronomie multi-méprisante et a déclenché des simulations dans la magnétohydrodynamique relativiste comme celles que nous avons effectuées à l'Université de l'Illinois. Pourtant, de nombreuses caractéristiques de signature de ces simulations ne seront identifiées que par la prochaine génération de détecteurs de vagues de gravité des étoiles à neutrons binaires. «
