Les sursauts de rayons X sont des rejets hautement énergétiques de rayonnement provenant de la surface des étoiles à neutrons, déclenchée par la combustion explosive de matériaux accumulés à la surface. C'est le même type de brûlure qui se produit dans les noyaux d'étoiles ordinaires comme le soleil, mais dans ce cas, se passe en surface. Ainsi, contrairement au soleil, là où il faut des centaines de milliers d'années pour que ce rayonnement s'échappe - et sous une forme beaucoup plus faible - cela se produit presque instantanément dans un sursaut de rayons X. Cela signifie que tout ce qui entoure l'étoile à neutrons va être explosé de radiations.

Une chose que nous savons avec certitude entoure de nombreuses étoiles à neutrons est un disque d'accrétion, une collection tourbillonnante de plasma capturé dans le champ gravitationnel de l'étoile. Nouveaux instruments à rayons X, comme la mission NICER à bord de la Station spatiale internationale, ont donné aux astronomes les outils pour étudier en détail ces sursauts de rayons X et leurs effets sur leur environnement.

L'une des raisons pour lesquelles les étoiles à neutrons sont si importantes pour les astrophysiciens est qu'elles représentent l'état de la matière le plus dense de notre univers. Comprendre comment la matière se comporte dans ces conditions est une étape importante pour percer les mystères de la physique subatomique et de l'extrême gravité. Comprendre les étoiles à neutrons, bien que, nécessite de comprendre le rayonnement que nous en recevons, et cela signifie des contributions de l'étoile à neutrons elle-même et du disque environnant.

C'est là qu'entrent en jeu les nouvelles recherches du professeur de physique et d'astronomie du College of Charleston, Chris Fragile, et de ses étudiants. Le groupe de Fragile a effectué des simulations informatiques en étudiant les interactions des sursauts de rayons X avec les disques d'accrétion. Comme Fragile le décrit, "Essentiellement, nous pouvons modéliser dans un ordinateur, avec une fidélité raisonnablement élevée, ce qui se passe dans ces systèmes. Cela nous permet de faire quelque chose comme une expérience scientifique traditionnelle sans les dangers inhérents d'avoir une étoile à neutrons dans notre laboratoire. »

De multiples simulations de telles interactions de disques en rafale ont été réalisées à l'aide de ressources sur le campus du Collège de Charleston et par le biais d'une allocation de supercalcul XSEDE (Extreme Science and Engineering Discovery Environment). De ces simulations de nombreux résultats remarquables ont été découverts, notamment, une perturbation importante des parties internes du disque d'accrétion. Plusieurs des effets révélés dans les simulations semblent correspondre aux preuves d'observation de disques perturbés vus par les télescopes à rayons X au cours des 15 dernières années.

"J'étais vraiment excité de voir ces résultats, " déclare David Ballantyne, professeur de physique à Georgia Tech, un collaborateur à ce travail. "J'étudie ces systèmes depuis plus d'une décennie, essayer de comprendre ce que les données nous disent sur la façon dont ces disques réagissent aux rafales. Les détails révélés par ces simulations ouvrent une toute nouvelle façon d'étudier la physique des disques d'accrétion."

Voir le disque perturbé par la rafale puis rebondir à mesure que la rafale s'estompe fournit une méthode pour étudier les processus internes qui provoquent l'accrétion.

"J'aime dire que nous donnons un coup de pied au disque et regardons ce qui se passe, " explique Ballantyne. " Voir à quelle vitesse un disque réagit à une impulsion aussi forte nous permet de scruter son intérieur. C'est similaire à la façon dont les scientifiques utilisent les tremblements de terre pour en savoir plus sur l'intérieur de la Terre."

Les travaux futurs devraient permettre à Ballantyne de discerner quelles seraient les signatures radiatives de ces résultats et de faire des prédictions pour les observations futures. De cette façon, l'équipe espère pouvoir effectuer une rétro-ingénierie de ce qui se passe dans les vrais systèmes d'étoiles à neutrons et les disques d'accrétion.

Les résultats de ce travail sont publiés dans le 6 janvier 2020, problème de Astronomie de la nature . Les auteurs incluent Fragile, Ballantyne et Aidan Blankenship, étudiant du Collège de Charleston.