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    Des fusions inégales d'étoiles à neutrons créent un bang unique dans les simulations

    Grâce à une série de simulations, une équipe internationale de chercheurs a déterminé que certaines fusions d'étoiles à neutrons produisent un rayonnement qui devrait être détectable depuis la Terre. Lorsque des étoiles à neutrons de masse inégale fusionnent, la plus petite étoile est déchirée par les forces de marée de son énorme compagnon (à gauche). La majeure partie de la masse du plus petit partenaire tombe sur l'étoile massive, provoquant son effondrement et la formation d'un trou noir (au milieu). Mais une partie de la matière est éjectée dans l'espace; le reste retombe pour former un disque d'accrétion massif autour du trou noir (à droite). Crédit :Adapté de la figure 4 dans « Accretion-Induit prompt blackhole formation in asymétrique à neutrons star fusions, éjecta dynamique et signaux de kilonova." Bernuzzi et al., Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.

    Quand deux étoiles à neutrons s'entrechoquent, le résultat est parfois un trou noir qui avale tout sauf les preuves gravitationnelles de la collision. Cependant, dans une série de simulations, une équipe internationale de chercheurs, dont un scientifique de l'État de Penn State, a déterminé que ces collisions généralement silencieuses – du moins en termes de rayonnement que nous pouvons détecter sur Terre – peuvent parfois être beaucoup plus bruyantes.

    "Lorsque deux étoiles à neutrons effondrées incroyablement denses se combinent pour former un trou noir, de fortes ondes gravitationnelles émergent de l'impact, " a déclaré David Radice, professeur adjoint de physique et d'astronomie et d'astrophysique à Penn State et membre de l'équipe de recherche. "Nous pouvons désormais capter ces ondes à l'aide de détecteurs comme LIGO aux États-Unis et Virgo en Italie. Un trou noir avale généralement tout autre rayonnement qui aurait pu sortir de la fusion que nous serions capables de détecter sur Terre, mais à travers nos simulations, nous avons constaté que ce n'était peut-être pas toujours le cas."

    L'équipe de recherche a découvert que lorsque les masses des deux étoiles à neutrons en collision sont suffisamment différentes, le plus grand compagnon déchire le plus petit. Cela provoque une fusion plus lente qui permet à un "bang" électromagnétique de s'échapper. Les astronomes devraient pouvoir détecter ce signal électromagnétique, et les simulations fournissent des signatures de ces collisions bruyantes que les astronomes pourraient rechercher depuis la Terre.

    L'équipe de recherche, qui comprend des membres de la collaboration internationale CoRe (Computational Relativity), décrivent leurs découvertes dans un article publié en ligne dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .

    "Récemment, LIGO a annoncé la découverte d'un événement de fusion dans lequel les deux stars ont peut-être des masses très différentes, " a déclaré Radice. " La principale conséquence de ce scénario est que nous nous attendons à cette contrepartie électromagnétique très caractéristique du signal d'onde gravitationnelle. "

    Après avoir signalé la première détection d'une fusion d'étoiles à neutrons en 2017, en 2019, l'équipe LIGO a signalé le deuxième, qu'ils ont nommé GW190425. Le résultat de la collision de 2017 était à peu près ce que les astronomes attendaient, avec une masse totale d'environ 2,7 fois la masse de notre soleil et chacune des deux étoiles à neutrons à peu près égale en masse. Mais GW190425 était beaucoup plus lourd, avec une masse combinée d'environ 3,5 masses solaires et le rapport des deux participants plus inégal - peut-être aussi élevé que 2 à 1.

    « Bien qu'une différence de masse de 2 à 1 puisse ne pas sembler être une grande différence, seule une petite gamme de masses est possible pour les étoiles à neutrons, " dit Radice.

    Les étoiles à neutrons ne peuvent exister que dans une gamme étroite de masses comprises entre environ 1,2 et 3 fois la masse de notre soleil. Les restes stellaires plus légers ne s'effondrent pas pour former des étoiles à neutrons et forment à la place des naines blanches, tandis que les objets plus lourds s'effondrent directement pour former des trous noirs. Lorsque la différence entre les étoiles fusionnantes devient aussi grande que dans GW190425, les scientifiques soupçonnaient que la fusion pourrait être plus compliquée et plus forte en rayonnement électromagnétique. Les astronomes n'avaient détecté aucun signal de ce type depuis l'emplacement de GW190425, mais la couverture de cette zone du ciel par les télescopes conventionnels ce jour-là n'était pas assez bonne pour l'exclure.

    Pour comprendre le phénomène de collision d'étoiles à neutrons inégales, et de prédire les signatures de telles collisions que les astronomes pourraient rechercher, l'équipe de recherche a effectué une série de simulations à l'aide de la plate-forme Bridges du Pittsburgh Supercomputing Center et de la plate-forme Comet du San Diego Supercomputer Center, toutes deux dans le réseau XSEDE de centres de calcul et d'ordinateurs de la National Science Foundation, ainsi que d'autres superordinateurs.

    Les chercheurs ont découvert que lorsque les deux étoiles à neutrons simulées se rapprochaient l'une de l'autre, la gravité de la plus grande étoile a déchiré son partenaire. Cela signifiait que la plus petite étoile à neutrons n'a pas frappé son compagnon plus massif d'un seul coup. La décharge initiale de la matière de la plus petite étoile a transformé la plus grande en un trou noir. Mais le reste de sa matière était trop loin pour que le trou noir puisse le capturer immédiatement. Au lieu, la pluie de matière plus lente dans le trou noir a créé un éclair de rayonnement électromagnétique.

    L'équipe de recherche espère que la signature simulée trouvée pourra aider les astronomes utilisant une combinaison de détecteurs d'ondes gravitationnelles et de télescopes conventionnels à détecter les signaux appariés qui annonceraient la rupture d'une étoile à neutrons plus petite fusionnant avec une plus grande.

    Les simulations ont nécessité une combinaison inhabituelle de vitesse de calcul, d'énormes quantités de mémoire, et la flexibilité dans le déplacement des données entre la mémoire et le calcul. L'équipe a utilisé environ 500 cœurs de calcul, courir pendant des semaines à la fois, sur une vingtaine d'instances distinctes. Les nombreuses quantités physiques qui devaient être prises en compte dans chaque calcul nécessitaient environ 100 fois plus de mémoire qu'une simulation astrophysique typique.

    "Il y a beaucoup d'incertitudes concernant les propriétés des étoiles à neutrons, " dit Radice. " Pour les comprendre, nous devons simuler de nombreux modèles possibles pour voir lesquels sont compatibles avec les observations astronomiques. Une seule simulation d'un modèle ne nous dirait pas grand-chose; nous devons effectuer un grand nombre de simulations assez intensives en calculs. Nous avons besoin d'une combinaison de haute capacité et de haute capacité que seules des machines comme Bridges peuvent offrir. Ce travail n'aurait pas été possible sans l'accès à de telles ressources nationales de calcul intensif."


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