Simulation numérique d'une fusion trou noir-étoile à neutrons. Le profil de densité est représenté en bleu et vert, les lignes de champ magnétique pénétrant dans le trou noir sont représentées en rose. La matière non liée est indiquée en blanc sa vitesse par des flèches vertes. Crédit :K. Hayashi (Université de Kyoto)
À l'aide de calculs de supercalculateurs, des scientifiques de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle de Potsdam et du Japon montrent pour la première fois une image cohérente :ils ont modélisé le processus complet de la collision d'un trou noir avec une étoile à neutrons. Dans leurs études, ils ont calculé le processus depuis les orbites finales en passant par la fusion jusqu'à la phase post-fusion dans laquelle, selon leurs calculs, des sursauts gamma à haute énergie peuvent se produire. Les résultats de leurs études viennent d'être publiés dans la revue Physical Review D .
Près de sept ans se sont écoulés depuis la première détection d'ondes gravitationnelles. Le 14 septembre 2015, les détecteurs LIGO aux États-Unis ont enregistré le signal de deux trous noirs fusionnant depuis les profondeurs de l'espace. Depuis lors, un total de 90 signaux ont été observés :issus de systèmes binaires de deux trous noirs ou étoiles à neutrons, mais aussi de binaires mixtes. Si au moins une étoile à neutrons est impliquée dans la fusion, il est possible que non seulement des détecteurs d'ondes gravitationnelles observent l'événement, mais également des télescopes dans le spectre électromagnétique.
Lorsque deux étoiles à neutrons ont fusionné lors de l'événement détecté le 17 août 2017 (GW170817), environ 70 télescopes sur Terre et dans l'espace ont observé les signaux électromagnétiques. Dans les deux fusions d'étoiles à neutrons avec des trous noirs observées jusqu'à présent (GW200105 et GW200115), aucune contrepartie électromagnétique des ondes gravitationnelles n'a été détectée. Mais lorsque davantage d'événements de ce type sont mesurés avec des détecteurs de plus en plus sensibles, les chercheurs s'attendent à des observations électromagnétiques ici également. Pendant et après la fusion, de la matière est éjectée du système et un rayonnement électromagnétique est généré. Cela produit probablement aussi de courts sursauts gamma, comme observé par les télescopes spatiaux.
Pour leur étude, les scientifiques ont choisi deux systèmes modèles différents constitués d'un trou noir en rotation et d'une étoile à neutrons. Les masses du trou noir ont été fixées à 5,4 et 8,1 masses solaires, respectivement, et la masse de l'étoile à neutrons a été fixée à 1,35 masses solaires. Ces paramètres ont été choisis pour que l'on puisse s'attendre à ce que l'étoile à neutrons soit déchirée par les forces de marée.
"Nous avons un aperçu d'un processus qui dure une à deux secondes - cela semble court, mais en fait, il se passe beaucoup de choses pendant ce temps :depuis les orbites finales et la perturbation de l'étoile à neutrons par les forces de marée, l'éjection de matière, jusqu'à la formation d'un disque d'accrétion autour du trou noir naissant, et une nouvelle éjection de matière dans un jet », explique Masaru Shibata, directeur du département d'astrophysique relativiste computationnelle à l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle à Potsdam. "Ce jet à haute énergie est probablement aussi à l'origine de courts sursauts gamma, dont l'origine est encore mystérieuse. Les résultats de la simulation indiquent également que la matière éjectée devrait synthétiser des éléments lourds tels que l'or et le platine."
Que se passe-t-il pendant et après la fusion ?
Les simulations montrent que pendant le processus de fusion, l'étoile à neutrons est déchirée par les forces de marée. Environ 80% de la matière des étoiles à neutrons tombe dans le trou noir en quelques millisecondes, augmentant sa masse d'environ une masse solaire. Dans les 10 millisecondes qui suivent, la matière de l'étoile à neutrons forme une structure en spirale à un bras. Une partie de la matière dans le bras spiral est éjectée du système, tandis que le reste (0,2 à 0,3 masse solaire) forme un disque d'accrétion autour du trou noir. Lorsque le disque d'accrétion tombe dans le trou noir après la fusion, cela provoque un flux focalisé de type jet de rayonnement électromagnétique, qui pourrait finalement produire une courte rafale de rayons gamma.
Simulations de quelques secondes
Il a fallu environ 2 mois à l'ordinateur du cluster "Sakura" du département pour résoudre les équations d'Einstein pour le processus qui prend environ deux secondes. "De telles simulations relativistes générales prennent beaucoup de temps. C'est pourquoi les groupes de recherche du monde entier se sont jusqu'à présent concentrés uniquement sur de courtes simulations", explique le Dr Kenta Kiuchi, chef de groupe au département de Shibata, qui a développé le code. "En revanche, une simulation de bout en bout, telle que celle que nous venons d'effectuer pour la première fois, fournit une image auto-cohérente de l'ensemble du processus pour des conditions initiales binaires données qui sont définies une fois au début."
De plus, ce n'est qu'avec des simulations aussi longues que les chercheurs peuvent explorer le mécanisme de génération de courts sursauts gamma, qui durent généralement une à deux secondes.
Shibata et les scientifiques de son département travaillent déjà sur des simulations numériques similaires mais encore plus complexes pour modéliser de manière cohérente la collision de deux étoiles à neutrons et la phase après la fusion. Les trous noirs et les étoiles à neutrons fusionnent de manière invisible dans des amas d'étoiles denses
