Des astrophysiciens ont mis au point la première simulation 3D de l’évolution complète d’un jet, depuis sa naissance par un trou noir en rotation jusqu’à son émission loin de l’étoile qui s’effondre.
La simulation montre que lorsque l’étoile s’effondre, sa matière tombe sur le disque qui tourbillonne autour du trou noir. Cette chute de matière fait basculer le disque et, à son tour, fait basculer le jet, qui oscille en luttant pour retrouver sa trajectoire initiale.
Le jet vacillant explique le mystère de longue date de la raison pour laquelle les sursauts gamma clignotent et montre que ces sursauts sont encore plus rares qu’on ne le pensait.
Comme ces jets génèrent des sursauts gamma (GRB) – les événements les plus énergétiques et les plus lumineux de l’univers depuis le Big Bang – les simulations ont fait la lumière sur ces sursauts lumineux particuliers et intenses. Les simulations ont permis de faire la lumière sur ces explosions lumineuses intenses et particulières. Leurs nouvelles découvertes permettent notamment d’expliquer pourquoi les GRB sont mystérieusement ponctués de moments de calme, entre de puissantes émissions et une immobilité étrangement silencieuse. La nouvelle simulation montre également que les GRB sont encore plus rares qu’on ne le pensait auparavant.
La nouvelle étude a été publiée le 29 juin dans la revue . Il s’agit de la première simulation 3D complète de l’évolution d’un jet – de sa naissance près du trou noir à son émission après s’être échappé de l’étoile qui s’effondre. Le nouveau modèle est également la simulation à la plus haute résolution jamais réalisée d’un jet à grande échelle.
“Ces jets sont les événements les plus puissants de l’univers”, a déclaré Ore Gottlieb, de l’université Northwestern, qui a dirigé l’étude. “Des études précédentes ont essayé de comprendre leur fonctionnement, mais ces études étaient limitées par la puissance de calcul et devaient inclure de nombreuses hypothèses. Nous avons pu modéliser toute l’évolution du jet depuis le tout début – depuis sa naissance par un trou noir – sans rien supposer de la structure du jet. Nous avons suivi le jet depuis le trou noir jusqu’au site d’émission et avons découvert des processus qui avaient été négligés dans les études précédentes.”
Gottlieb est un boursier Rothschild du Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaire en astrophysique (CIERA) de Northwestern. Il est coauteur de l’article avec Sasha Tchekhovskoy, membre du CIERA et professeur adjoint de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern.
Wobbling étrange
Le phénomène le plus lumineux de l’univers, les GRBs émergent lorsque le noyau d’une étoile massive s’effondre sous sa propre gravité pour former un trou noir. En tombant dans le trou noir en rotation, le gaz s’énergise et lance un jet dans l’étoile qui s’effondre. Le jet frappe l’étoile jusqu’à ce qu’il finisse par s’en échapper, accélérant à des vitesses proches de celle de la lumière. Après s’être libéré de l’étoile, le jet génère un GRB brillant.
“Le jet génère un GRB lorsqu’il atteint environ 30 fois la taille de l’étoile – ou un million de fois la taille du trou noir”, a déclaré Gottlieb. “En d’autres termes, si le trou noir a la taille d’un ballon de plage, le jet doit s’étendre sur toute la taille de la France avant de pouvoir produire un GRB.”
En raison de l’énormité de cette échelle, les simulations précédentes n’ont pas été en mesure de modéliser l’évolution complète de la naissance du jet et de son voyage ultérieur. En utilisant des hypothèses, toutes les études précédentes ont trouvé que le jet se propage le long d’un axe et ne dévie jamais de cet axe.
Mais la simulation de Gottlieb a montré quelque chose de très différent. Lorsque l’étoile s’effondre en un trou noir, la matière de cette étoile tombe sur le disque de gaz magnétisé qui tourbillonne autour du trou noir. La chute de matière fait basculer le disque, ce qui, à son tour, fait basculer le jet. Comme le jet s’efforce de se réaligner sur sa trajectoire originale, il vacille à l’intérieur du collapsar.
Cette oscillation fournit une nouvelle explication de la raison pour laquelle les GRBs clignotent. Pendant les moments de silence, le jet ne s’arrête pas – son émission s’éloigne de la Terre, de sorte que les télescopes ne peuvent tout simplement pas l’observer.
“L’émission des GRB est toujours irrégulière”, a déclaré Gottlieb. “Nous voyons des pics d’émission, puis un temps de repos qui dure quelques secondes ou plus. La durée totale d’un GRB est d’environ une minute, donc ces temps de repos représentent une fraction non négligeable de la durée totale. Les modèles précédents n’étaient pas en mesure d’expliquer d’où provenaient ces temps de quiescence. L’ondulation donne naturellement une explication à ce phénomène. Nous observons le jet lorsqu’il est dirigé vers nous. Mais lorsque le jet oscille pour pointer loin de nous, nous ne pouvons pas voir son émission. Cela fait partie de la théorie de la relativité d’Einstein.”
Le rare devient plus rare
Ces jets wobbly fournissent également de nouvelles informations sur le taux et la nature des GRBs. Bien que des études antérieures aient estimé qu’environ 1 % des collapsars produisent des GRB, Gottlieb pense que les GRB sont en fait beaucoup plus nombreux que les autres.plus rares.
Si le jet était contraint de se déplacer le long d’un seul axe, il ne couvrirait qu’une mince tranche du ciel, ce qui limiterait la probabilité de l’observer. Mais la nature ondulante du jet signifie que les astrophysiciens peuvent observer les GRBs à différentes orientations, ce qui augmente la probabilité de les repérer. Selon les calculs de Gottlieb, les GRB sont 10 fois plus observables qu’on ne le pensait auparavant, ce qui signifie que les astrophysiciens manquent 10 fois moins de GRB qu’on ne le pensait.
“L’idée est que nous observons les GRBs sur le ciel à un certain taux, et nous voulons connaître le véritable taux de GRBs dans l’univers”, a expliqué Gottlieb. “Le taux observé et le taux réel sont différents parce que nous ne pouvons voir que les GRBs qui sont dirigés vers nous. Cela signifie que nous devons supposer quelque chose au sujet de l’angle que ces jets couvrent sur le ciel, afin de déduire le taux réel de GRBs. C’est à dire, quelle fraction de GRBs nous manquons. Le wobbling augmente le nombre de GRBs détectables, donc la correction entre le taux observé et le taux réel est plus faible. Si nous manquons moins de GRBs, alors il y a globalement moins de GRBs dans le ciel.”
Si cela est vrai, Gottlieb affirme que la plupart des jets ne sont pas lancés du tout ou ne réussissent jamais à s’échapper du collapsar pour produire un GRB. Au lieu de cela, ils restent enfouis à l’intérieur.
Energie mixte
Les nouvelles simulations ont également révélé qu’une partie de l’énergie magnétique dans les jets se convertit partiellement en énergie thermique. Cela suggère que le jet a une composition hybride d’énergies magnétique et thermique, qui produit le GRB. C’est la première fois que des chercheurs ont déduit la composition du jet d’un GRB au moment de l’émission, ce qui constitue une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes qui alimentent les GRB.
L’étude des jets nous permet de “voir” ce qui se passe au plus profond de l’étoile lorsqu’elle s’effondre”, a déclaré Gottlieb. “Sinon, il est difficile d’apprendre ce qui se passe dans une étoile effondrée parce que la lumière ne peut pas s’échapper de l’intérieur stellaire. Mais nous pouvons apprendre de l’émission du jet – l’histoire du jet et les informations qu’il transporte des systèmes qui les lancent.”
L’avancée majeure de la nouvelle simulation réside en partie dans sa puissance de calcul. En utilisant le code “H-AMR” sur les superordinateurs de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility à Oak Ridge, Tennessee, les chercheurs ont développé la nouvelle simulation, qui utilise des unités de traitement graphique (GPU) au lieu d’unités centrales de traitement (CPU). Extrêmement efficaces pour manipuler les graphiques informatiques et le traitement des images, les GPU accélèrent la création d’images sur un écran.
