Un nouveau super-calculateur vient de simuler la collision entre deux étoiles à neutrons.

Les étoiles à neutrons sont constituées d'importants champs magnétiques pouvant alimenter des jets de particules à très haute vitesse associés à des sursauts gamma de courte durée (GRB).
Cette simulation nous fournit un aperçu en 3 dimensions très détaillé des forces motrices mises en oeuvre lors des explosions les plus énergétiques de l'univers.

 Cette simulation a demandé 7 semaines de travail en utilisant les ordinateurs Damiana à l'Institut Albert Einstein à Potsdam, en Allemagne. Ce super-calculateur est capable de simuler des événements qui se déroulent en à peine plus de 35 millisecondes soit 3 fois plus vite qu'un clin d'œil.

 Les sursauts gamma ou GRB font partis des plus spectaculaires événements connus en astronomie. Ils émettent autant d'énergie en quelques secondes que notre galaxie entière en un an. La plupart de cette émission se présente sous la forme de rayons gamma, la forme de lumière la plus haute en énergie. 

      Crédits image : NASA/ AEI/ ZIB/ KOPPITZ/ REZOLLA.

"Pour la première fois, nous avons réussi à exécuter la simulation bien au-delà de la fusion et de la formation du trou noir", a déclaré Chryssa Kouveliotou, co-auteur de l'étude à la Nasa. "C'est de loin la plus longue simulation de ce processus, permettant d'aboutir au développement du champ magnétique et à sa réorganisation à partir d'une structure chaotique en quelque chose ressemblant à un jet de particules."

 Les GRB durant plus de 2 secondes sont les plus commun et sont largement considérés comme déclenchés par l'effondrement d'une étoile massive en un trou noir. Comprendre les sursauts gamma courts, qui se "fanent" rapidement, c'est toujours révélé très ardue. Les astronomes avaient des difficultés à obtenir des positions précises pour les études de suivi.

Cela commença à changer en 2004, lorsque le satellite Swift de la Nasa a commencé à localiser rapidement des sources d'éclats tout en informant tous de suite où les astronomes devaient chercher.

"Depuis plus de 20 ans, le principal modèle de sursauts gamma courts était la fusion de 2 étoiles à neutrons, a déclaré le co-auteur Bruno Giacomazzo à l'Université du Maryland" Ce n'est que maintenant que nous pouvons voir que la fusion des étoiles à neutrons est effectivement produite par un champ magnétique très puissant et structurée comme les jets nécessaires à un sursaut gamma. "

Une étoile à neutrons est un noyau très dense restant d'une supernova (explosion d'une étoile) ayant une masse équivalente à 30 fois la masse du soleil. Sa matière atteint une telle densité qu'il est impossible de le reproduire sur Terre.

La simulation commence avec une paire d'étoiles à neutrons en orbite avec seulement 17 kilomètres de distance entre elles. Chaque étoile à une masse équivalente à 1,5 fois la masse du Soleil, le tout comprimé dans une sphère de seulement 27 km de diamètre avec un champ magnétique généré d'environ un trillion de fois plus fort que le Soleil !

En 15 millisecondes, les deux étoiles à neutrons s'écrasent l'une sur l'autre, fusionnent et se transforment en un trou noir en rotation rapide pesant 2,9 soleils. Le bord du trou noir, connu sous le nom d'horizon des événements, mesure moins de 10 Km. C'est un chaos tourbillonnant de matière à très haute densité ayant des températures dépassant les 560 millions de degrés C° entourant le nouveau trou noir . La fusion a amplifié la force des champs magnétique combinés des 2 étoiles. 

      Simulation par super-calculateur de la collision de 2 étoiles à neutrons produisant un trou noir massif.

Au cours des 11 millisecondes suivantes, le gaz tourbillonne à la vitesse de la lumière et continue à amplifier le champ magnétique, qui est devenu 1 000 fois plus fort que les champs des étoiles à neutrons d'origine. Dans le même temps, la structure s'organise et peu à peu une paire de "cheminées" se forme et se dirige vers l'extérieur, le long de l'axe de rotation du trou noir.

C'est exactement la configuration nécessaire qui permet de créer des jets de particules ultra-rapide produisant une courte rafale de rayons gamma. Aucun des entonnoirs magnétiques n'a été remplis avec de la matière à haute vitesse lorsque la simulation s'est terminée, mais des études antérieures ont montré que la formation de jets peuvent se produire dans ces conditions.

"C'est un résultat attendu depuis longtemps. Maintenant, il semble que les fusions d'étoile à neutrons produisent inévitablement des jets de particules dans un champ ultra magnétique." Cette étude paraîtra dans la 1ère édition de Mai du Astrophysical Journal Letters.

Les scientifiques estiment que c'est la preuve ultime du modèle de fusion, il faudra attendre la détection des ondes gravitationnelles (ondulations dans le tissu de l'espace-temps) prédites par la théorie de la relativité. Les fusions d'étoiles à neutrons sont censés être des sources de premier plan. Les chercheurs ont également calculé à quoi ressemblerait le signal des ondes gravitationnelles. Les recherches que les observatoires du monde entier ont lancé n'ont malheureusement rien donner à cause de la faiblesse de ces signaux.