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    Des chercheurs participent à une étude qui ajoute de nouveaux détails aux modèles de fusion

    Cette simulation, échantillonné sur une sphère avec un 6, Rayon de 200 milles centré sur un trou noir, montre un événement explosif connu sous le nom de kilonova qui est associé à une fusion d'étoiles à neutrons. Un composant, qui dure des jours, a une signature associée de lumière de fréquence bleue (bleu), et un autre composant qui dure des semaines a un pic de couleur associé de lumière proche infrarouge (rouge). Le vert montre la signature des jets énergétiques associés qui sont créés lors de la fusion. Crédit : Avis mensuels de la Royal Astronomical Society

    Les scientifiques s'améliorent dans la modélisation de l'enchevêtrement complexe des propriétés physiques en jeu dans l'un des événements les plus puissants de l'univers connu :la fusion de deux étoiles à neutrons.

    Les étoiles à neutrons sont celles qui tournent rapidement, enveloppes ultradenses d'étoiles plus grandes qui ont explosé en supernovae. Ils mesurent environ 12 miles de diamètre, et une seule cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèse jusqu'à 1, 125 ponts du Golden Gate, ou 2, 735 bâtiments de l'Empire State.

    Le 17 août, 2017, les scientifiques ont observé une signature d'ondes gravitationnelles - des ondulations dans le tissu de l'espace-temps - ainsi qu'un sursaut explosif associé, connu sous le nom de kilonova, qui s'expliquaient le mieux par la fusion de deux étoiles à neutrons. Et encore le 25 avril, 2019, un autre événement probable de fusion d'étoiles à neutrons, basé uniquement sur une mesure des ondes gravitationnelles.

    Bien que ces événements puissent aider à comparer et valider les modèles physiques que les chercheurs développent pour comprendre ce qui est à l'œuvre dans ces fusions, les chercheurs doivent encore essentiellement partir de zéro pour intégrer la bonne physique dans ces modèles.

    Dans une étude publiée dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society journal, une équipe dirigée par des scientifiques de la Northwestern University a simulé la formation d'un disque de matière, une explosion géante de matière éjectée, et le démarrage de jets énergétiques autour de l'objet restant - soit une étoile à neutrons plus grande, soit un trou noir - à la suite de cette fusion.

    L'équipe comprenait des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, UC Berkeley, l'Université de l'Alberta, et l'Université du New Hampshire.

    Pour rendre le modèle plus réaliste que dans les efforts précédents, l'équipe a construit trois simulations distinctes qui ont testé différentes géométries pour les puissants champs magnétiques entourant la fusion.

    Illustration d'artiste de la fusion de deux étoiles à neutrons. La grille spatio-temporelle ondulante représente les ondes gravitationnelles qui sortent de la collision, tandis que les faisceaux étroits montrent les rafales de rayons gamma qui sont projetées quelques secondes seulement après les ondes gravitationnelles. Des nuages ​​tourbillonnants de matière éjectés des étoiles fusionnantes sont également représentés. Les nuages ​​brillent avec des longueurs d'onde de lumière visibles et autres. Crédit :NSF/LIGO/Université d'État de Sonoma/A. Simonnet

    "Nous partons d'un ensemble de principes physiques, effectuer un calcul que personne n'a fait à ce niveau auparavant, puis demander, « Sommes-nous raisonnablement proches des observations ou manquons-nous quelque chose d'important ? », a déclaré Rodrigo Fernández, co-auteur de la dernière étude et chercheur à l'Université de l'Alberta.

    Les simulations 3D qu'ils ont réalisées, qui comprenait du temps de calcul au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC), impliquait plus de 6 millions d'heures de temps CPU (unité de traitement informatique).

    Les simulations tiennent compte des effets GRMHD (magnétohydrodynamique relativiste générale), qui incluent des propriétés associées aux champs magnétiques et à la matière fluide, ainsi que les propriétés de la matière et de l'énergie voyageant presque à la vitesse de la lumière. Les chercheurs ont noté que les simulations pourraient également s'avérer utiles pour modéliser la fusion d'un trou noir avec une étoile à neutrons.

    Pour simuler les explosions de kilonova - un événement créateur d'éléments qui, selon les scientifiques, est responsable de l'ensemencement de l'espace avec des éléments lourds - l'équipe a produit des estimations de sa masse totale éjectée, sa vitesse moyenne, et sa composition.

    "Avec ces trois quantités, on peut estimer si la courbe de lumière aurait la bonne luminosité, Couleur, et le temps d'évolution, ", a déclaré Fernandez.

    Il y a deux composantes généralisées de ces explosions de kilonova :l'une évolue au cours des jours et se caractérise par la signature lumineuse à fréquence bleue qu'elle dégage à son apogée, et l'autre dure des semaines et a un pic de couleur associé de lumière proche infrarouge.

    Les dernières simulations sont conçues pour modéliser ces composantes bleues et rouges des kilonovae.

    Les simulations aident également à expliquer le lancement de puissants jets d'énergie qui émanent vers l'extérieur à la suite de la fusion, notamment un caractère « rayé » des jets dû aux effets de puissants, champs magnétiques alternatifs. Ces jets peuvent être observés comme une rafale de rayons gamma, comme pour l'événement 2017.

    Une coupe verticale 2D d'une simulation 3D GRMHD (magnétohydrodynamique relativiste générale) d'une fusion d'étoiles à neutrons initialisée avec un champ magnétique toroïdal (en forme de beignet), montrant la densité de masse (le rouge est la haute densité, le bleu clair est de faible densité). Les lignes noires révèlent les caractéristiques des lignes de champ magnétique. Des jets énergétiques (bleu foncé) se forment au lendemain de la fusion. Crédit : Avis mensuels de la Royal Astronomical Society

    Daniel Kasen, un scientifique de la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab et professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'UC Berkeley, mentionné, "Les champs magnétiques fournissent un moyen d'exploiter l'énergie d'un trou noir en rotation et de l'utiliser pour tirer des jets de gaz se déplaçant à une vitesse proche de la lumière. De tels jets peuvent produire des rafales de rayons gamma, ainsi qu'une émission radio et de rayons X étendue, qui ont tous été vus lors de l'événement de 2017. »

    Fernández a reconnu que les simulations ne reflètent pas encore précisément les observations - les simulations ont montré une masse inférieure pour la contribution de la kilonova bleue par rapport au rouge - et que de meilleurs modèles de l'étoile à neutrons hypermassive résultant de la fusion et des neutrinos abondants - des particules fantomatiques qui voyagent à travers la plupart des types de matière sans être affectés - associés à l'événement de fusion sont nécessaires pour améliorer les modèles.

    Le modèle a bénéficié de modèles de disques de matière (disques d'accrétion) encerclant des trous noirs, ainsi que des modèles de propriétés de refroidissement des neutrinos, le volume de neutrons et de protons associés à l'événement de fusion, et le processus de création de matière associé à la kilonova.

    Kasen a noté que les ressources informatiques du Berkeley Lab "nous permettent de regarder dans les environnements les plus extrêmes - comme ce tourbillon turbulent qui clapote à l'extérieur d'un trou noir nouvellement né - et de regarder et d'apprendre comment les éléments lourds ont été fabriqués".

    Les simulations suggèrent que la fusion d'étoiles à neutrons observée en août 2017 n'a probablement pas formé un trou noir immédiatement après, et que les champs magnétiques les plus puissants étaient en forme de beignet. Aussi, les simulations concordaient en grande partie avec certains modèles de longue date pour le comportement des fluides.


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