Un Cataclysme Cosmique en Détail

Des scientifiques ont réalisé une avancée majeure en simulant avec une précision inégalée la façon dont une étoile à neutrons se fracture quelques secondes avant d’être avalée par un trou noir. Cette simulation, dirigée par l’astrophysicien Elias Most de Caltech, révèle comment les forces gravitationnelles intenses du trou noir commencent à déchirer la surface de l’étoile à neutrons à mesure que les deux objets se rapprochent en spirale.

Ce phénomène provoque des fractures violentes de la croûte, déclenchant des secousses similaires à des tremblements de terre massifs. La croûte de l’étoile à neutrons va s’ouvrir comme le sol lors d’un tremblement de terre, explique Most. La gravité du trou noir cisaille d’abord la surface, provoquant des tremblements dans l’étoile et l’ouverture de failles.

starquakes et Ondes Magnétiques

Les chercheurs ont découvert que ces craquements envoient de puissantes ondulations magnétiques, connues sous le nom d’ondes d’Alfvén, à travers la magnétosphère de l’étoile. Ces ondes sont suffisamment fortes pour générer des rafales de signaux radio qui pourraient être détectables par les télescopes, offrant un signe avant-coureur potentiel d’une collision cosmique imminente.

Bien que des modèles antérieurs aient prédit de telles fractures crustales, c’est la première fois que les chercheurs capturent toute la physique du processus en action. La simulation offre également la prédiction la plus claire à ce jour du type de flamboiement électromagnétique qui pourrait accompagner le moment de la rupture.

Cela va au-delà des modèles théoriques du phénomène : c’est une simulation réelle qui inclut toute la physique pertinente qui se produit lorsque l’étoile à neutrons se brise comme un œuf,déclare Katerina Chatziioannou,professeure adjointe de physique à Caltech.

La Puissance des Supercalculateurs

L’équipe a utilisé le supercalculateur Perlmutter, l’un des systèmes basés sur GPU les plus puissants au monde, pour effectuer la simulation. Les GPU, plus connus pour l’exécution de programmes d’IA et de jeux vidéo, ont permis aux chercheurs de résoudre les équations très complexes nécessaires pour simuler les interactions entre la matière, la gravité et les champs magnétiques lors d’événements cosmiques aussi violents.

Les simulations proprement dites prennent environ quatre à cinq heures. Most et son équipe travaillaient sur des simulations similaires depuis environ deux ans à l’aide de supercalculateurs sans GPU avant de les exécuter sur Perlmutter. C’est ce qui a débloqué le problème, dit Most. Avec les GPU, soudain, tout a fonctionné et a correspondu à nos attentes. Nous n’avions tout simplement pas assez de puissance de calcul auparavant pour modéliser numériquement ces systèmes physiques très complexes avec suffisamment de détails.

naissance d’un Fantôme de Pulsar

Dans une deuxième simulation, également exécutée sur Perlmutter, l’équipe a exploré ce qui se passe dans l’instant final après la consommation de l’étoile à neutrons. Les résultats montrent la création d’ondes de choc monstrueuses, prédites pour la première fois par Andrei beloborodov de l’Université Columbia, qui se propagent vers l’extérieur depuis le site de la collision.

Ces ondes puissantes pourraient émettre des rafales de rayons X et de rayons gamma, ajoutant un autre signal observationnel potentiel pour les astronomes. C’est comme une vague océanique,explique Kim. L’océan est initialement calme, mais à mesure que les vagues arrivent sur le rivage, elles se raidissent jusqu’à finalement se briser. dans notre simulation,nous pouvons voir les ondes de champ magnétique se briser en une onde de choc monstrueuse.

La même simulation indique également la formation d’un phénomène rare et de courte durée, appelé pulsar de trou noir.

Pendant une fraction de seconde après la fusion, les champs magnétiques restants de l’étoile à neutrons sont expulsés par le trou noir sous forme de vents magnétiques tourbillonnants. Ces vents imitent les faisceaux révélateurs d’un pulsar, une étoile à neutrons en rotation rapide qui envoie de la lumière sous forme d’impulsions étroites et répétées, avant de s’estomper rapidement. La simulation est la première à montrer comment le pulsar de trou noir pourrait réellement se former dans la nature à partir de la collision d’une étoile à neutrons et d’un trou noir.

Lorsque l’étoile à neutrons plonge dans le trou noir, les ondes de choc monstrueuses sont lancées, explique Yoonsoo Kim, auteur principal de la deuxième étude. Une fois l’étoile aspirée, des vents tourbillonnants se forment, créant le pulsar de trou noir. Mais le trou noir ne peut pas maintenir ses vents et redevient silencieux en quelques secondes.

Implications et Perspectives Futures

Ces découvertes ouvrent la voie à l’identification des fusions trou noir-étoile à neutrons à l’aide d’observations basées sur la lumière. Jusqu’à présent, la plupart de ces fusions ont été détectées par le biais d’ondes gravitationnelles.

Mais avec des simulations indiquant des signaux électromagnétiques possibles, tels que des rafales radio, des rayons X et des rayons gamma, les astronomes pourraient bientôt être en mesure d’observer ces collisions cosmiques avec des télescopes à travers le spectre.À l’avenir, les chercheurs espèrent explorer si cette même phénoménologie s’étend à d’autres types de systèmes binaires.

FAQ

• Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons ? Une étoile à neutrons est le vestige extrêmement dense d’une étoile massive qui a explosé en supernova.
• Qu’est-ce qu’un pulsar de trou noir ? Un pulsar de trou noir est un phénomène de courte durée où un trou noir émet des vents magnétiques tourbillonnants, imitant un pulsar, après avoir consommé une étoile à neutrons.
• Comment ces simulations aident-elles les astronomes ? Elles fournissent des prédictions sur les signaux électromagnétiques qui pourraient accompagner les fusions d’étoiles à neutrons et de trous noirs, permettant de les détecter avec des télescopes.