Nouvelle interprétation d’un sursaut gamma « impossible » proposée par les scientifiques

par Amir Hussein
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Gamma-Ray Bursts

Des chercheurs de l'Université Northwestern ont créé des simulations indiquant que les fusions d'étoiles à neutrons, et pas seulement les effondrements massifs d'étoiles, peuvent conduire à de longs sursauts gamma. Cette découverte enrichit notre compréhension de la physique des trous noirs et contredit les modèles astrophysiques actuels. Source : SciTechPost.com

Les scientifiques de l’Université Northwestern ont mené la première simulation numérique approfondie en s’alignant sur les observations énigmatiques d’une fusion trou noir-étoile à neutrons.

En 2022, une équipe de l’Université Northwestern a fourni de nouvelles preuves observationnelles suggérant que de longs sursauts gamma (GRB) pourraient résulter de la collision d’une étoile à neutrons avec un objet dense comme une autre étoile à neutrons ou un trou noir, auparavant considérée comme invraisemblable.

Une autre équipe de Northwestern propose maintenant une explication pour l’éclat de lumière extraordinaire et intensément brillant observé.

Ils ont créé la première simulation numérique suivant l’évolution des jets d’une fusion trou noir-étoile à neutrons sur de grandes distances, révélant que le trou noir résultant peut éjecter des jets de l’étoile à neutrons engloutie.

Les facteurs critiques sont la masse du tourbillon de gaz (disque d’accrétion) autour du trou noir et l’intensité de son champ magnétique. Dans des disques massifs dotés d’un champ magnétique puissant, le trou noir éjecte un jet court et exceptionnellement brillant, dépassant toute luminosité d’observation précédente. À l’inverse, un champ magnétique plus faible dans un disque massif entraîne un jet de luminosité et de durée similaires à celui du mystérieux GRB (nommé GRB211211A) observé en 2021 et signalé en 2022.

Cette découverte élucide non seulement les origines des longs GRB, mais donne également un aperçu de la nature des trous noirs, des champs magnétiques et des disques d'accrétion.

La simulation révolutionnaire à grande échelle de l’évolution d’un jet de fusion trou noir-étoile à neutrons a été attribuée à Ore Gottlieb de l’Université Northwestern.

Cette étude a été récemment publiée dans l'Astrophysical Journal.

Ore Gottlieb de Northwestern a expliqué qu'aucune simulation numérique antérieure n'avait permis de tracer de manière cohérente un jet depuis la fusion d'un objet compact jusqu'à sa formation et son évolution à grande échelle, ce que leurs travaux visaient à faire pour la première fois. Étonnamment, leurs résultats correspondaient aux observations de GRB211211A.

Danat Issa de Northwestern, qui a codirigé le projet avec Gottlieb, a décrit les fusions d'étoiles à neutrons comme un phénomène multi-messagers fascinant produisant à la fois des ondes gravitationnelles et électromagnétiques. La modélisation complète de l’ensemble de cette séquence de fusion était une première dans ce domaine.

Au cours de l'étude, Gottlieb était membre du CIERA au centre d'astrophysique de Northwestern et est maintenant chercheur Flatiron au Centre d'astrophysique computationnelle du Flatiron Institute. Issa, étudiant diplômé au département de physique et d'astronomie de Northwestern et membre du CIERA, est encadré par le co-auteur Alexander Tchekhovskoy, professeur agrégé de physique et d'astronomie à Northwestern.

La découverte de la kilonova GRB211211A en décembre 2021, initialement considérée comme provenant d'un effondrement massif d'étoiles, a révélé la preuve d'une kilonova rare à la suite d'une fusion d'étoiles à neutrons. Cette découverte, publiée dans Nature en décembre 2022, remet en question l’hypothèse de longue date selon laquelle seules les supernovae pourraient créer de longs GRB.

Gottlieb a commenté que GRB 211211A a ravivé l'intérêt pour l'origine des GRB de longue durée non liés à des étoiles massives, probablement issus de fusions binaires compactes.

Le télescope spatial Hubble a capturé l'emplacement du GRB 211211A, marqué en rouge.

Gottlieb, Issa et leur équipe se sont efforcés de simuler l'intégralité de la séquence d'événements de fusion compacte, de la pré-fusion à la conclusion de l'événement GRB. Cette tâche complexe n’était auparavant pas modélisée en raison de ses exigences informatiques. Ils ont divisé le scénario en deux simulations, en commençant par la phase préalable à la fusion, puis en utilisant ses résultats pour la simulation post-fusion.

Les simulations ont révélé la fusion d’objets compacts en un trou noir plus grand. Ce trou noir a attiré les restes de l'étoile à neutrons, formant un disque d'accrétion avant que certains débris ne soient éjectés sous forme de jet à une vitesse proche de la lumière.

Les simulations ont montré qu’un champ magnétique puissant dans un disque massif conduit à un GRB court et incroyablement brillant, tandis qu’un champ magnétique plus faible produit un jet de longue durée ressemblant à de longs GRB.

Gottlieb a noté que « long » est relatif, car les GRB de moins de deux secondes sont courts, tandis que ceux de plus de deux secondes sont longs. Même ces brefs événements posent d’importants défis de modélisation.

Issa a souligné la difficulté de capturer l'évolution de ces fusions sur plusieurs secondes à l'aide de simulations sur superordinateurs.

Gottlieb et Issa prévoient d'affiner davantage leurs modèles, Issa se concentrant sur l'intégration du refroidissement des neutrinos pour améliorer la précision physique. Cet ajout vise à fournir une compréhension plus détaillée des fusions d’étoiles à neutrons.

L'étude, « Evolution à grande échelle des jets relativistes de quelques secondes issus des fusions trou noir-étoile à neutrons », a été rédigée par Ore Gottlieb, Danat Issa et d'autres, et publiée le 31 août 2023 dans The Astrophysical Journal Letters (DOI : 10.3847/2041-8213/aceeff).

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Foire aux questions (FAQ) sur les sursauts gamma

Quelle est la nouvelle découverte concernant les sursauts gamma ?

Des chercheurs de l'Université Northwestern ont découvert que de longs sursauts gamma, que l'on pensait auparavant causés uniquement par des effondrements massifs d'étoiles, peuvent également résulter de fusions d'étoiles à neutrons. Cette découverte remet en question les théories astrophysiques établies et améliore notre compréhension de la physique des trous noirs.

Comment les fusions d’étoiles à neutrons créent-elles des sursauts gamma ?

Les fusions d’étoiles à neutrons peuvent créer des sursauts gamma grâce à la formation d’un trou noir qui éjecte des jets de matière de l’étoile à neutrons engloutie. Le processus dépend de la masse du disque d’accrétion et de la force de son champ magnétique.

Qu’y avait-il d’unique dans l’étude de l’Université Northwestern ?

L’étude de l’Université Northwestern était unique en ce sens qu’elle présentait la première simulation numérique à grande échelle correspondant aux observations d’une fusion trou noir-étoile à neutrons, fournissant une explication potentielle à des sursauts gamma jusqu’alors inexpliqués.

Quelles implications cette découverte a-t-elle ?

Cette découverte apporte de nouvelles informations sur la nature et la physique des trous noirs, leurs champs magnétiques et leurs disques d'accrétion. Il élargit également notre compréhension des origines des longs sursauts gamma, offrant une nouvelle perspective sur ces événements cosmiques.

Quel a été le rôle des simulations numériques dans cette recherche ?

Les simulations numériques ont joué un rôle crucial dans cette recherche en permettant aux scientifiques de suivre l’évolution d’un jet lors d’une fusion trou noir-étoile à neutrons sur de grandes distances. Cette approche les a aidés à comprendre comment le trou noir post-fusion pouvait lancer des jets de matière depuis l’étoile à neutrons avalée.

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