Dans une nouvelle étude, des scientifiques du Institut Max Planck pour la physique gravitationnelle à Potsdam et au Japon a modélisé le processus complet de collision d’un trou noir avec une étoile à neutrons. Ils ont estimé l’ensemble du processus, en commençant par les orbites finales et en continuant tout au long de la fusion et de la période post-fusion, lorsque des sursauts gamma à haute énergie peuvent se produire.
En particulier, ils ont choisi deux systèmes modèles différents qui impliquent un trou noir en rotation et une étoile à neutrons. Ils ont fixé 1. les masses des trous noirs à 5,4 et 8,1 masses solaires et 2. la masse de l’étoile à neutrons à 1,35 masses solaires.
Ils fixent ces paramètres parce que le étoile à neutrons on pouvait s’attendre à ce qu’il soit déchiré par les forces de marée.
La simulation offre des informations importantes sur un processus qui dure une à deux secondes. Cela peut sembler trop court, mais il se passe beaucoup de choses à ce moment-là : 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 nouvelle éjection de matière dans un jet.
Masaru Shibata, directeur du département d’astrophysique relativiste computationnelle à l’Institut Max Planck de physique gravitationnelle à Potsdam, a déclaré : “Ce jet à haute énergie est probablement aussi une raison de court sursauts gamma, dont l’origine est encore mystérieuse. Les résultats de la simulation indiquent que la matière éjectée devrait synthétiser des éléments lourds tels que l’or et le platine.
La simulation montre que l’étoile à neutrons est déchirée par les forces de marée pendant le processus de fusion. En quelques millisecondes, environ 80 % de la matière de l’étoile à neutrons tombe dans le trou noir, ajoutant une masse solaire à sa masse. La matière de l’étoile à neutrons crée une forme de spirale à un bras dans les dix millisecondes suivantes environ.
Le matériau restant dans le bras spiral (0,2 à 0,3 masse solaire) forme un anneau d’accrétion autour du trou noir tandis qu’une partie est éjectée du système. Après la fusion, le disque d’accrétion tombe dans le trou noir, créant un flux focalisé de type jet de un rayonnement électromagnétique qui peut éventuellement entraîner un bref sursaut gamma.
Le Dr Kenta Kiuchi, chef de groupe dans le département de Shibata, qui a développé le code, a dit, “Il a fallu environ deux 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 sont très chronophages. C’est pourquoi les groupes de recherche du monde entier se sont concentrés uniquement sur de courtes simulations.
“En revanche, une simulation de bout en bout, telle que celle que nous venons d’effectuer pour la première fois, fournit une image cohérente de l’ensemble du processus pour des conditions initiales binaires données qui sont définies une fois au début.”
Référence de la revue :
- Kota Hayashi, Sho Fujibayashi et al. Simulation magnétohydrodynamique de rayonnement neutrino général-relativiste de fusions trou noir-étoile à neutrons d’une durée de quelques secondes. Phys. Rév. D 106, 023008 – Publié le 8 juillet 2022. DOI : 10.1103/PhysRevD.106.023008
