Simulation numérique du matériau éjecta résultant de deux étoiles à neutrons en fusion. Les couleurs rouges font référence à un matériau éjecté contenant une fraction élevée de neutrons qui apparaîtra généralement plus rouge que le matériau bleu contenant une fraction plus élevée de protons. Crédit : I. Markin (Université de Potsdam)
Les étoiles à neutrons sont le produit final d'étoiles massives et rassemblent une grande partie de la masse stellaire d'origine dans une étoile super dense d'un diamètre d'une dizaine de kilomètres seulement. Le 17 août 2017, des chercheurs ont observé pour la première fois les multiples signatures d’une fusion explosive de deux étoiles à neutrons en orbite : des ondes gravitationnelles et d’énormes sursauts de rayonnement, dont un sursaut gamma.
Une équipe de recherche internationale a développé une méthode pour modéliser simultanément ces signaux observables d'une kilonova. Cela leur permet de décrire précisément ce qui se passe exactement lors d’une fusion, comment la matière nucléaire se comporte dans des conditions extrêmes et pourquoi l’or sur Terre a dû être créé lors de tels événements.
À l'aide d'un nouvel outil logiciel, une équipe impliquant l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle et l'Université de Potsdam a interprété simultanément les différents types de données astrophysiques d'une kilonova.
En outre, les données d'observations radio et rayons X d'autres étoiles à neutrons, les calculs de physique nucléaire et même les données d'expériences de collision d'ions lourds sur des accélérateurs terrestres peuvent être utilisées. Jusqu’à présent, les différentes sources de données ont été analysées séparément et les données interprétées à l’aide de modèles physiques différents dans certains cas.
“En analysant les données de manière cohérente et simultanée, nous obtenons des résultats plus précis”, explique Peter TH Pang, scientifique à l'université d'Utrecht.
“Notre nouvelle méthode permettra d'analyser les propriétés de la matière à des densités extrêmes. Elle nous permettra également de mieux comprendre l'expansion de l'univers et dans quelle mesure des éléments lourds se forment lors des fusions d'étoiles à neutrons”, explique Tim Dietrich, professeur à l'Université de Neutron. Université de Potsdam et chef d'un groupe Max Planck Fellow à l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle.
Aperçu des contraintes sur l'EOS depuis différents canaux d'information. Nous montrons un ensemble d'EOS possibles (lignes bleues) qui sont contraints jusqu'à 1,5 nsat par des calculs quantiques de Monte Carlo utilisant des interactions chirales EFT et étendus à des densités plus élevées à l'aide d'un modèle de vitesse du son. Différentes régions de l'EOS peuvent ensuite être contraintes en utilisant différents messagers astrophysiques, indiqués par des rectangles : les GW provenant d'inspirations de fusions NS, les données des pulsars radio et à rayons X et les signaux EM associés aux fusions NS. Notez que les limites ne sont pas strictes mais dépendent de l'EOS et des propriétés du système étudié. Crédit: Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-43932-6
Conditions extrêmes dans un laboratoire cosmique
Une étoile à neutrons est un objet astrophysique très dense formé à la fin de la vie d'une étoile massive lors d'une explosion de supernova. Comme d’autres objets compacts, certaines étoiles à neutrons tournent autour les unes des autres dans des systèmes binaires. Ils perdent de l’énergie à cause de l’émission constante d’ondes gravitationnelles – de minuscules ondulations dans la structure de l’espace-temps – et finissent par entrer en collision.
De telles fusions permettent aux chercheurs d’étudier les principes physiques dans les conditions les plus extrêmes de l’univers. Par exemple, les conditions de ces collisions à haute énergie conduisent à la formation d’éléments lourds comme l’or. En effet, les étoiles à neutrons en fusion sont des objets uniques pour étudier les propriétés de la matière à des densités bien supérieures à celles trouvées dans les noyaux atomiques.
La nouvelle méthode a été appliquée à la première et unique observation multi-messagers de fusions d’étoiles à neutrons binaires jusqu’à présent. Lors de cet événement, découvert le 17 août 2017, les derniers milliers d'orbites des étoiles les unes autour des autres avaient suffisamment déformé l'espace-temps pour créer des ondes gravitationnelles, qui ont été détectées par les observatoires terrestres d'ondes gravitationnelles Advanced LIGO et Advanced Virgo. Lorsque les deux étoiles ont fusionné, des éléments lourds nouvellement formés ont été éjectés.
Certains de ces éléments se désintègrent radioactivement, provoquant une augmentation de la température. Déclenché par ce rayonnement thermique, un signal optique, infrarouge et ultraviolet a été détecté jusqu'à deux semaines après la collision. Un sursaut gamma, également provoqué par la fusion d'étoiles à neutrons, a éjecté du matériel supplémentaire. La réaction de la matière de l'étoile à neutrons avec le milieu environnant produisait des rayons X et des émissions radio qui pouvaient être surveillés sur des échelles de temps allant de quelques jours à plusieurs années.
Des résultats plus précis pour les détections futures
Les détecteurs d'ondes gravitationnelles en sont actuellement à leur quatrième période d'observation. La prochaine détection d’une fusion d’étoiles à neutrons pourrait survenir d’un jour à l’autre, et les chercheurs attendent avec impatience d’utiliser l’outil qu’ils ont développé.
L'ouvrage est publié dans la revue Communications naturelles.
Plus d'information:
Peter TH Pang et al, Un cadre actualisé de physique nucléaire et d'astrophysique multi-messagers pour les fusions d'étoiles à neutrons binaires, Communications naturelles (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-43932-6
Fourni par la Société Max Planck
Citation: Une équipe de recherche modélise simultanément pour la première fois différentes signatures d'une explosion de kilonova (21 décembre 2023) récupérée le 21 décembre 2023 sur
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