Maintenant que les scientifiques peuvent détecter les distorsions ondulantes dans l'espace-temps créées par la fusion de trous noirs massifs, ils jettent leur dévolu sur la dynamique et les conséquences d'autres duos cosmiques qui s'unissent dans des collisions catastrophiques.

Travailler avec une équipe internationale, des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département de l'Énergie ont développé de nouveaux modèles informatiques pour explorer ce qui se passe lorsqu'un trou noir se joint à une étoile à neutrons - le reste superdense d'une étoile explosée.

Utiliser des superordinateurs pour déchirer des étoiles à neutrons ouvertes

Les simulations, réalisé en partie au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC), sont destinés à aider les détecteurs à se concentrer sur les signaux des ondes gravitationnelles. Télescopes, trop, peut rechercher les éclats brillants de rayons gamma et la lueur de la matière radioactive que ces événements exotiques peuvent cracher dans l'espace environnant.

Dans des articles séparés publiés dans une édition spéciale de la revue scientifique Gravité classique et quantique , Berkeley Lab et d'autres chercheurs présentent les résultats de simulations détaillées.

L'une des études modélise les premières millisecondes (millièmes de seconde) dans la fusion d'un trou noir et d'une étoile à neutrons, et les autres détails séparent les simulations qui modélisent la formation d'un disque de matériau formé quelques secondes après la fusion, et de l'évolution de la matière qui est éjectée dans la fusion.

Cette matière éjectée comprend probablement de l'or et du platine et une gamme d'éléments radioactifs plus lourds que le fer.

Toute nouvelle information que les scientifiques peuvent recueillir sur la façon dont les étoiles à neutrons se déchirent lors de ces fusions peut aider à percer leurs secrets, car leur structure interne et leur rôle probable dans l'ensemencement de l'univers avec des éléments lourds sont toujours entourés de mystère.

"Nous ajoutons régulièrement une physique plus réaliste aux simulations, " dit - Foucart, qui a été l'auteur principal de l'une des études en tant que chercheur postdoctoral à la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab.

"Mais nous ne savons toujours pas ce qui se passe à l'intérieur des étoiles à neutrons. La physique compliquée que nous devons modéliser rend les simulations très gourmandes en calculs."

Trouver des signes d'une fusion trou noir-étoile à neutrons

Foucart, qui sera bientôt professeur assistant à l'Université du New Hampshire, ajoutée, "Nous essayons de nous orienter davantage vers la création de modèles des signaux d'ondes gravitationnelles produits par ces fusions, " qui créent une ondulation dans l'espace-temps que les chercheurs espèrent pouvoir détecter avec des améliorations de la sensibilité d'expériences telles que Advanced LIGO, l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser.

En février 2016, Les scientifiques de LIGO ont confirmé la première détection d'une onde gravitationnelle, censé être généré par la fusion de deux trous noirs, chacun avec des masses environ 30 fois plus grandes que le soleil.

Les signaux d'une étoile à neutrons fusionnant avec des trous noirs ou une autre étoile à neutrons devraient générer des ondes gravitationnelles légèrement plus faibles mais similaires à celles des fusions trou noir-trou noir, dit Foucart.

Les "déchets" radioactifs dans l'espace

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 qui a participé à la recherche, a déclaré qu'à l'intérieur des étoiles à neutrons « il peut y avoir des états exotiques de la matière qui ne ressemblent à rien de ce qui est réalisé ailleurs dans l'univers ».

Dans certaines simulations informatiques, les étoiles à neutrons ont été avalées entières par le trou noir, tandis que dans d'autres, il y avait une fraction de matière crachée dans l'espace. On estime que cette matière éjectée représente environ un dixième de la masse du soleil.

Alors qu'une grande partie de la matière est aspirée dans le plus grand trou noir qui se forme à la suite de la fusion, « le matériau qui est jeté se transforme finalement en une sorte de « déchet radioactif », '", a-t-il déclaré. "Vous pouvez voir la lueur radioactive de ce matériau pendant une période de jours ou de semaines, à plus de cent millions d'années-lumière." Les scientifiques appellent cette lueur radioactive observable une "kilonova".

Les simulations utilisent différents ensembles de calculs pour aider les scientifiques à visualiser comment la matière s'échappe de ces fusions. En modélisant la vitesse, trajectoire, quantité et type de matière, et même la couleur de la lumière qu'il dégage, les astrophysiciens peuvent apprendre à retracer des événements réels.

Le monde étrange des étoiles à neutrons

La gamme de taille des étoiles à neutrons est définie par la limite ultime de la densité de la matière pouvant être compactée, et les étoiles à neutrons sont parmi les objets les plus denses que nous connaissions dans l'univers.

Il a été observé que les étoiles à neutrons ont des masses jusqu'à au moins deux fois celles de notre soleil, mais ne mesurent qu'environ 12 miles de diamètre, en moyenne, tandis que notre propre soleil a un diamètre d'environ 865, 000 milles. A des masses suffisamment importantes, peut-être environ trois fois la masse du soleil, les scientifiques s'attendent à ce que les étoiles à neutrons s'effondrent pour former des trous noirs.

On estime qu'un pouce cube de matière d'une étoile à neutrons pèse jusqu'à 10 milliards de tonnes. Comme leur nom l'indique, on pense que les étoiles à neutrons sont composées en grande partie de particules subatomiques de charge neutre appelées neutrons, et certains modèles s'attendent à ce qu'ils contiennent de longs brins de matière - connus sous le nom de "pâtes nucléaires" - formés par des noyaux atomiques qui se lient les uns aux autres.

On s'attend également à ce que les étoiles à neutrons soient presque parfaitement sphériques, avec une croûte rigide et incroyablement lisse et un champ magnétique ultrapuissant. Ils peuvent tourner à une vitesse d'environ 43, 000 tours par minute (RPM), ou environ cinq fois plus rapide que les RPM d'un moteur de voiture de course NASCAR.

Les conséquences des fusions d'étoiles à neutrons

Les simulations des chercheurs ont montré que la matière radioactive qui s'échappe d'abord des fusions de trous noirs peut se déplacer à des vitesses d'environ 20, 000 à 60, 000 miles par seconde, ou jusqu'à environ un tiers de la vitesse de la lumière, comme il est balancé dans une longue "queue de marée".

"Ce serait un matériau étrange qui est chargé de neutrons, " Kasen a dit. " Comme ce matériau en expansion se refroidit et se décomprime, les particules peuvent être capables de se combiner pour former les éléments les plus lourds. » Cette dernière recherche montre comment les scientifiques pourraient trouver ces faisceaux lumineux d'éléments lourds.

"Si nous pouvons suivre les détections LIGO avec des télescopes et capter une lueur radioactive, nous pouvons enfin assister au berceau des éléments les plus lourds de l'univers, " a-t-il dit. " Cela répondrait à l'une des questions les plus anciennes en astrophysique. "

La majeure partie de la matière dans une fusion trou noir-étoile à neutrons devrait être aspirée par le trou noir dans la milliseconde suivant la fusion, et d'autres matières qui ne sont pas rejetées lors de la fusion sont susceptibles de former un ensemble extrêmement dense, mince, halo de matière en forme de beignet.

La mince, disque chaud de matière qui est lié par le trou noir devrait se former dans les 10 millisecondes environ suivant la fusion, et être concentré dans un rayon d'environ 15 à 70 milles de celui-ci, les simulations ont montré. Ces 10 premières millisecondes semblent être déterminantes dans l'évolution à long terme de ces disques.

Sur des échelles de temps allant de quelques dizaines de millisecondes à plusieurs secondes, le disque chaud s'étend et lance plus de matière dans l'espace. "Un certain nombre de processus physiques - des champs magnétiques aux interactions de particules et aux réactions nucléaires - se combinent de manière complexe pour conduire l'évolution du disque, " a déclaré Rodrigo Fernández, un professeur adjoint de physique à l'Université de l'Alberta au Canada qui a dirigé l'une des études.

Les simulations réalisées sur le supercalculateur Edison de la NERSC ont été cruciales pour comprendre comment le disque éjecte la matière et pour fournir des indices sur la façon d'observer cette matière, dit Fernandez, un ancien chercheur postdoctoral de l'UC Berkeley.

Et après?

Finalement, il peut être possible pour les astronomes qui scrutent le ciel nocturne de trouver "l'aiguille dans une botte de foin" de kilonovae radioactives provenant de fusions d'étoiles à neutrons qui avaient été manquées dans les données LIGO, dit Kasen.

"Avec des modèles améliorés, nous sommes mieux en mesure de dire exactement aux observateurs quels éclairs lumineux sont les signaux qu'ils recherchent, ", a-t-il déclaré. Kasen travaille également à la construction de modèles de plus en plus sophistiqués de fusions d'étoiles à neutrons et de supernovae grâce à sa participation au projet DOE Exascale Computing.

À mesure que la sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles s'améliore, Foucart a dit, il peut être possible de détecter un signal continu produit même par une petite bosse à la surface d'une étoile à neutrons, par exemple, ou des signaux d'objets unidimensionnels théorisés connus sous le nom de cordes cosmiques.

"Cela pourrait aussi nous permettre d'observer des événements que nous n'avons même pas imaginés, " il a dit.