Vue d'artiste de la collision de deux étoiles à neutrons. Un chercheur de l'Université de l'Alberta a créé une simulation informatique en 3D qui donne aux scientifiques une image plus claire de ce qui se passe à la suite de la collision. Crédit :Robin Dienel, Institut Carnegie pour la science
Des détails sans précédent sur les conséquences d'une collision entre deux étoiles à neutrons représentées dans un modèle informatique en 3D créé par un astrophysicien de l'Université de l'Alberta permettent de mieux comprendre comment certains des éléments fondamentaux de l'univers se forment dans les collisions cosmiques.
"La collision crée des éléments lourds dont l'or et le plomb, " a déclaré Rodrigo Fernández, qui a travaillé avec une équipe de recherche internationale utilisant des superordinateurs au National Energy Research Scientific Computing Center des États-Unis et les données d'une collision scientifique détectée en août 2017, la première collision de ce type jamais observée.
"Nous avons également vu pour la première fois un sursaut de rayons gamma provenant de deux étoiles à neutrons entrer en collision. Il y a une grande quantité de science qui sort de cette découverte, " il ajouta, notamment en aidant les chercheurs à calculer la masse des étoiles à neutrons et même à confirmer la vitesse à laquelle l'univers s'étend.
Les étoiles à neutrons sont les étoiles les plus petites et les plus denses, emballant plus de masse que le soleil de la Terre dans une zone de la taille d'une ville. Quand deux d'entre eux se heurtent, ils fusionnent en un éclair de lumière et de débris connu sous le nom de kilonova, à mesure que le matériau explose vers l'extérieur.
Jusqu'à maintenant, les simulations informatiques des collisions n'ont pas été assez sophistiquées pour tenir compte de l'endroit où tout ce matériel se retrouve.
Par exemple, le nouveau modèle 3-D montre que le disque d'accrétion - la collection de débris restants qui orbite autour de l'étoile combinée - éjecte deux fois plus de matière et à des vitesses plus élevées que les modèles 2-D précédents.
Une coupe transversale du modèle de deux étoiles à neutrons en collision montre le disque d'accrétion en rouge autour du trou noir au centre. Le jet astrophysique est l'entonnoir bleu au-dessus et au-dessous du trou noir. Crédit :Rodrigo Fernández
« Bien que nos résultats ne réconcilient pas entièrement toutes les divergences, ils rapprochent les nombres, " Fernandez a dit, ajoutant que son modèle permet de mieux comprendre comment les éléments lourds sont créés et éjectés dans l'espace.
En modélisant les séquelles de la collision avec autant de détails, Fernández et l'équipe ont également pu expliquer une autre manière dont la matière est éjectée de la collision :sur un jet astrophysique, un étroit panache de particules et de radiations a jailli presque à la vitesse de la lumière lorsque les étoiles se heurtent. Le jet est également considéré comme la source du sursaut gamma.
"On s'attendait à ce que nous puissions trouver des jets, mais c'est la première fois que nous avons pu modéliser cela de manière suffisamment détaillée pour voir cet effet émerger, " a expliqué Fernández.
La modélisation de l'événement en 3D n'était pas une tâche facile, il ajouta. Bien qu'une collision d'étoiles à neutrons se produise en quelques millisecondes, le disque d'accrétion peut durer quelques secondes. Sa formation implique également une physique complexe et de nombreux processus physiques qui se déroulent tous en même temps, ce qui rend la simulation beaucoup plus difficile pour les ordinateurs.
« Parmi les processus à l'œuvre, le principal coupable est en fait le champ magnétique agissant sur la matière, " a noté Fernández. " Nous connaissons les équations qui décrivent ce processus, mais la seule façon de les décrire correctement est en 3-D. Donc, non seulement vous devez exécuter la simulation pendant longtemps, il faut aussi le modéliser en trois dimensions, ce qui est très coûteux en calcul.
« Les aspects techniques de la simulation sont impressionnants d'un point de vue scientifique car les interactions sont si complexes.
L'étude, "Simulations GRMHD à long terme de disques d'accrétion de fusion d'étoiles à neutrons :implications pour les contreparties électromagnétiques, " a été publié dans Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .
