Ligo et Virgo n’ont encore détecté qu’une poignée de collisions entre trous noirs et étoiles à neutrons sur environ 90 collisions d’astres compacts, sources d’ondes gravitationnelles. On pense que certains sursauts gamma courts sont le résultat de ces collisions hybrides que l’on vient de simuler sur ordinateur comme jamais, afin de modéliser ces émissions gamma que l’on cherche à observer également pour faire de l’astronomie multimessager.

Nous sommes entrés depuis 2015 dans l’ère de l’astronomie gravitationnelle. Et peu de temps après aussi, dans une nouvelle ère de l’astronomie multimessager puisque après avoir combiné des observations de phénomènes astrophysiques dans le domaine des ondes éléctromagnétiques avec celles dans le domaine des neutrinos avec la fameuse supernova de 1987 dans l’un des nuages de Magellan (et tout simplement avec l’étude des neutrinos solaires), les astrophysiciens ont combiné la détection des ondes gravitationnelles et des ondes électromagnétiques produites par des kilonovae.

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Ce genre d’événement est à l’origine de certains sursauts gamma mais les astrophysiciens relativiste et nucléaire pensent qu’il peut se produire aussi des sursauts gamma à l’occasion de collisions entre un trou noir et une étoile à neutrons et pas seulement deux étoiles à neutrons comme dans le cas d’une kilonova.

De telles collisions semblent bel et bien avoir été détectées bien que pour le moment uniquement sous forme d’ondes gravitationnelles, comme Futura l’expliquait dans le précédent article ci-dessous. Il y a ainsi notamment deux sources détectées, GW200105 et GW200115, qui comme ces dénominations l’indiquent sont survenues pour nous sur Terre dans les détecteurs Ligo et Virgo, respectivement les 5 et 15 janvier 2020.

Pour en apprendre plus sur ces événements cosmiques et dans l’attente de la détection également d’ondes électromagnétiques, très probablement sous la forme d’émission gamma très énergétiques, les astrophysiciens ont besoin de savantes simulations numériques capables de produire la forme de signaux à détecter. Le but : non seulement d’identifier vraiment des collisions d’étoiles à neutrons avec des trous noirs de masses stellaires, mais aussi lire dans les signaux détectés des informations nouvelles sur la physique de l’espace-temps et l’état de la matière nucléaire dans des étoiles à neutrons.

C’est pourquoi à l’aide de calculs de supercalculateurs, des scientifiques de l’Institut Max-Planck de physique gravitationnelle de Potsdam et du Japon ont modélisé comme jamais le processus complet de la collision d’un trou noir avec une étoile à neutrons. Il s’agit d’un des aboutissements des recherches en relativité et hydrodynamique numériques déjà entreprises au début des années 1960 avec également des processus de physique des plasmas, de transfert radiatif et de physique nucléaire, prolongeant les travaux de simulation des explosions thermonucléaires de la décennie précédente.

Aujourd’hui, les derniers résultats des simulations de collisions entre trous noirs et étoile à neutrons, étudiées avec l’ordinateur du cluster « Sakura » du Département d’astrophysique relativiste computationnelle à l’Institut Max-Planck, ont été publiés dans la célèbre revue Physical Review D, mais on peut trouver l’article à ce sujet sur arXiv.

Une collision productrice d’or et de rayons gamma
Le phénomène modélisé est très gourmand en calcul et il a donc fallu attendre la montée en puissance des ordinateurs pour atteindre le niveau de réalisme présenté aujourd’hui. Il a tout de même fallu deux mois de calculs pour reproduire un événement durant moins de deux secondes.

Il se décompose en plusieurs étapes que l’on peut déjà succinctement décrire par tout d’abord les ultimes mouvements orbitaux précédant la collision des deux astres compacts tombant en spirale l’un vers l’autre sous l’effet de la perte d’énergie sous forme d’émissions d’ondes gravitationnelles. Très peu de temps après, intervient la fusion des deux objets, et la troisième étape doit correspondre à une phase transitoire où un sursaut gamma se produit. On pourrait donc savoir si ce type de sursaut gamma rend compte de certains de ceux qui sont observés en comparant les signaux détectées à ceux prédits par la simulation.

Comme l’explique le communiqué de l’Institut Max-Planck de physique gravitationnelle, les chercheurs ont utilisé dans les simulations conduites des trous noirs en rotation de 5,4 et 8,1 masses solaires, respectivement, et une étoile à neutrons de 1,35 masse solaire, ces paramètres ayant été choisis pour que l’on puisse s’attendre à ce que l’étoile à neutrons soit déchirée par les forces de marée.

Dans le même communiqué, Masaru Shibata, directeur du Département d’astrophysique relativiste computationnelle, précise que : « 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 : il y a d’abord les orbites finales et la perturbation de l’étoile à neutrons par les forces de marée, puis une éjection de matière suivie de la formation d’un disque d’accrétion autour du trou noir naissant, et une nouvelle éjection de matière dans un jet. Ce jet à haute énergie est probablement aussi à l’origine de sursauts gamma courts, 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. »

Si l’on entre dans les détails, 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 est alors avalée par les trous noirs en quelques millisecondes, augmentant leur 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, puis un disque d’accrétion de 0,2 à 0,3 masse solaire alors que le reste est éjecté.

Le disque est instable et il finit par tomber en direction de l’horizon des événements du nouveau trou noir en rotation qui est devenu plus massif, des processus de magnétohydrodynamique relativiste en espace-temps courbe conduisant alors à un flux localisé de rayonnement gamma.

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 kilonovae résultante.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/theorie-relativite-generale-on-simule-comme-jamais-collision-trou-noir-etoile-neutrons-75651/