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Cette simulation montre la collision de deux étoiles à neutrons denses. La collision a formé un trou noir en orbite autour d’un tourbillon de gaz magnétisé. De la matière émerge dans des jets et des vents énergétiques qui feront des éléments lourds et des éclairs de lumière. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de A. Tchekhovskoy, R. Fernandez, D. Kasen
Les physiciens nucléaires ont utilisé des superordinateurs pour modéliser l’état extrême laissé après la fusion de deux étoiles à neutrons ultra-denses et la formation d’un trou noir. Leurs modèles ont montré comment cette collision expulse la matière restante en orbite autour du trou noir résultant. Cette situation crée les conditions nécessaires pour créer les éléments les plus lourds de l’univers.
Pendant des décennies, les astronomes et les physiciens nucléaires ont travaillé pour comprendre comment et où les éléments lourds de l’univers ont été fabriqués à l’origine. Ces simulations informatiques montrent comment la collision d’étoiles à neutrons peut créer et expulser des éléments lourds. Ces modèles illustrent également les éclairs de lumière que ces événements génèrent. Ces informations peuvent aider les astronomes à mieux détecter et étudier ces événements.
En août 2017, la collision d’une paire d’étoiles à neutrons est devenue le premier événement jamais détecté dans les deux ondes gravitationnelles Et léger. Cet événement a donné aux scientifiques une nouvelle fenêtre sur le comportement de la matière et de la gravité dans des conditions extrêmes.
Une grande partie de notre compréhension de ce qui se passe dans les collisions est basée sur des simulations multi-physiques tridimensionnelles, exécutées sur les superordinateurs les plus rapides du monde. La modélisation est compliquée par l’extrême gravité (nécessitant de résoudre les équations de la relativité générale d’Einstein) et les champs magnétiques intenses qui contrôlent le flux de matière et entraînent de fortes turbulences.
Les simulations rapportées ici sont parmi les premières à suivre en détail les conséquences à long terme d’une collision, où un disque de résidus étoile à neutrons la matière orbite autour du trou noir nouvellement formé. Les simulations montrent comment les champs magnétiques dans le disque se tordent et s’amplifient, et entraînent finalement de puissants jets relativistes et des vents forts.
Près de la moitié de la masse du disque se trouve ainsi non liée, et la matière est suffisamment riche en neutrons pour fournir les conditions nécessaires à la formation d’éléments lourds, comme l’or et l’uranium, par un processus répété de capture rapide de neutrons. La radioactivité de ces isotopes fraîchement synthétisés produira une lueur détectable – observée pour la première fois par les astronomes lors de l’événement de 2017 – qui peut être mieux comprise par rapport aux nouveaux résultats du modèle.
Référence : « Long-term GRMHD simulations of neutron star fusion accretion discs: implications for electromagnetique homologues » par Rodrigo Fernández, Alexander Tchekhovskoy, Eliot Quataert, Francois Foucart et Daniel Kasen, 30 octobre 2018, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/sty2932
Ce travail a été soutenu en partie par le Département américain de l’Énergie, Office of Science, Office of Nuclear Physics. La recherche a utilisé les ressources du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), qui est soutenu par l’Office of Science du département américain de l’Énergie.
