De nouvelles recherches utilisant des simulations informatiques et des données astronomiques ont révélé que certains sursauts gamma (GRB) de longue durée sont provoqués par des fusions cosmiques formant des trous noirs, remettant en question les théories précédentes qui les attribuaient uniquement à l’effondrement d’étoiles. Cette avancée permet de mieux comprendre les origines des GRB.
À l’aide de simulations informatiques de pointe, les astrophysiciens du Flatiron Institute et leurs collègues ont affiné notre idée de la façon dont les trous noirs peuvent générer certaines des explosions les plus énergétiques de l’univers.
Des simulations informatiques de pointe combinées à des calculs théoriques aident les astronomes à mieux comprendre l’origine de certains des spectacles de lumière les plus énergétiques et mystérieux de l’univers : les sursauts gamma, ou GRB. Le nouveau modèle unifié confirme que certains GRB durables sont créés à la suite de fusions cosmiques qui donnent naissance à un nourrisson. trou noir entouré d’un disque géant de matière natale.
Les astronomes pensaient auparavant que les trous noirs qui génèrent de longs GRB se forment généralement lorsque des étoiles massives s’effondrent. Cependant, le nouveau modèle montre qu’ils peuvent également apparaître lorsque deux objets denses fusionnent, comme une paire d’étoiles à neutrons – les restes denses et morts d’étoiles massives – ou un trou noir et une étoile à neutrons. Ces résultats expliquent les longs GRB récemment observés que les astronomes n’ont pas pu relier aux étoiles en effondrement.
Les créateurs de la simulation ont présenté leurs résultats le 29 novembre à Le Lettres de journaux astrophysiques.
Une simulation montrant comment la fusion d’un trou noir et d’un étoile à neutrons peut générer des jets et des vents puissants qui produisent des sursauts gamma. Une nouvelle étude présente un cadre reliant la physique de telles fusions aux observations de sursauts gamma. L’étude a révélé que la fusion d’objets massifs tels que des trous noirs et des étoiles à neutrons peut générer des sursauts gamma de longue durée. Crédit : Ore Gottlieb
« Nos découvertes, qui relient les observations à la physique sous-jacente, ont unifié de nombreux mystères non résolus dans le domaine des sursauts gamma », déclare Ore Gottlieb, auteur principal de la nouvelle étude et chercheur au Center for Computational Astrophysics (CCA) du Flatiron Institute. ) a New York. « Pour la première fois, nous pouvons examiner les observations du GRB et savoir ce qui s’est passé avant la formation du trou noir. »
Les GRB comptent parmi les événements les plus brillants et les plus violents du cosmos. Depuis leur première détection en 1967, les GRB ont ébloui et intrigué les astronomes. Même des décennies plus tard, les mécanismes exacts qui génèrent les puissantes explosions de rayons gamma restent incertains. Au fil des années, les astronomes ont remarqué deux populations distinctes de GRB : les unes qui durent moins d’une seconde et les autres qui persistent pendant 10 secondes ou plus. Les chercheurs ont finalement déterminé que les GRB courts proviennent de jets lancés après la fusion de deux objets compacts et que les GRB longs peuvent se produire lorsque des jets sont lancés lors de l’effondrement d’étoiles massives en rotation. Mais au cours de la dernière année, deux observations inhabituelles de longs GRB ont suggéré que l’effondrement des géants n’était pas la seule cause des longs GRB.
Un instantané d’une simulation montrant comment la fusion d’un trou noir et d’une étoile à neutrons peut générer de puissants jets et vents qui produisent des sursauts gamma. Une nouvelle étude présente un cadre reliant la physique de telles fusions aux observations de sursauts gamma. L’étude a révélé que la fusion d’objets massifs tels que des trous noirs et des étoiles à neutrons peut générer des sursauts gamma de longue durée. Crédit : Ore Gottlieb
Gottlieb et ses collègues ont effectué des simulations de pointe pour tester comment les fusions d’objets massifs et compacts peuvent déclencher des GRB. Les nouvelles simulations ont duré des mois et ont été réalisées en partie sur l’un des supercalculateurs du Flatiron Institute. Les nouvelles simulations démarrent lorsque les deux objets compacts sont sur une orbite rapprochée et suivent les jets jusqu’à ce qu’ils s’éloignent du site de fusion. Cette approche permet aux chercheurs de faire moins d’hypothèses sur la physique impliquée. En combinant les simulations avec les contraintes des données astronomiques, les scientifiques ont construit un modèle unifié pour les origines du GRB.
Les chercheurs ont déterminé que les GRB inhabituels sont générés à la suite d’une fusion entre deux objets compacts. Après la fusion, les objets créent un trou noir entouré d’un grand disque d’accrétion – un beignet à rotation rapide constitué de restes de matériaux chargés magnétiquement – qui peut pomper de longs GRB. Ces informations issues de la simulation aident les astronomes à comprendre non seulement les objets créant ces GRB, mais également ce qui les a précédés.
Une simulation montrant comment la fusion d’un trou noir et d’une étoile à neutrons peut générer de puissants jets et vents produisant des sursauts gamma. Une nouvelle étude présente un cadre reliant la physique de telles fusions aux observations de sursauts gamma. L’étude a révélé que la fusion d’objets massifs tels que des trous noirs et des étoiles à neutrons peut générer des sursauts gamma de longue durée. Crédit : Ore Gottlieb
« Si nous voyons un long GRB comme ceux observés en 2022, nous savons maintenant qu’il provient d’un trou noir doté d’un disque massif », explique Gottlieb. « Et sachant qu’il existe un disque massif, nous pouvons maintenant déterminer le rapport des masses des deux objets parents car leur rapport de masse est lié aux propriétés du disque. Par exemple, la fusion d’étoiles à neutrons de masse inégale produira inévitablement un GRB de longue durée.
Les scientifiques espèrent utiliser le modèle unifié pour identifier les objets qui créent de courts GRB. Ces sursauts, suggère le modèle, pourraient être provoqués par des trous noirs dotés de disques d’accrétion plus petits, ou provenir d’un objet appelé étoile à neutrons hypermassive, qui est une forme instable de l’étoile qui s’effondre rapidement pour former un trou noir, mais pas avant d’émettre de courts GRB. Les scientifiques espèrent qu’avec davantage d’observations de GRB, ils pourront affiner davantage leur simulation pour déterminer toutes les origines de GRB. Bien que les observations de GRB restent relativement rares, les astronomes visent à en capturer beaucoup plus lorsque l’observatoire Vera C. Rubin commencera à observer début 2025.
« Au fur et à mesure que nous obtiendrons davantage d’observations de GRB à différentes durées d’impulsion, nous serons mieux en mesure de sonder les moteurs centraux qui alimentent ces événements extrêmes », explique Gottlieb.
