Une équipe d’astrophysiciens dirigée par la Northwestern University a développé la première simulation 3D complète d’une évolution complète d’un jet formé par une étoile qui s’effondre, ou un « effondrement ».

Parce que 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 mis en lumière ces sursauts de lumière particuliers et intenses. Leurs nouvelles découvertes incluent une explication de la question de longue date de savoir pourquoi les GRB sont mystérieusement interrompus par des moments de calme, oscillant entre des émissions puissantes et une immobilité étrangement calme. La nouvelle simulation montre également que les GRB sont encore plus rares qu’on ne le pensait auparavant.

La nouvelle étude a été publiée aujourd’hui (29 juin) dans Astrophysical Journal Letters. Il s’agit de la première simulation complète en 3D de l’évolution complète d’un jet, depuis sa naissance près du trou noir jusqu’à son émission après s’être échappé de l’étoile qui s’effondre. Le nouveau modèle est également la simulation la plus haute résolution d’un avion grandeur nature.

« Ces jets sont les événements les plus puissants de l’univers », a déclaré Northwestern. Minerai Gottlieb, qui a dirigé l’étude. « Des études antérieures ont tenté 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 début, depuis sa naissance par un trou noir, sans rien présumer de la structure du jet. Nous avons suivi le jet du trou noir au site d’émission et avons trouvé des processus qui avaient été manqués dans les études précédentes. »

Gottlieb est membre Rothschild chez Northwestern’s Centre interdisciplinaire de recherche et d’exploration en astrophysique (PROCHE). Il a co-écrit l’article avec un membre du CIERA Sasha Tchekhovskoïprofesseur adjoint de physique et d’astronomie à Northwestern’s Collège des arts et des sciences Weinberg.

oscillation bizarre

Les GRB, le phénomène le plus lumineux de l’univers, émergent lorsque le noyau d’une étoile massive s’effondre sous sa propre gravité pour former un trou noir. Lorsque le gaz tombe dans le trou noir en rotation, il devient excité et jaillit vers l’étoile qui s’effondre. Le jet frappe l’étoile et s’en échappe finalement, accélérant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Après s’être libéré de l’étoile, le jet génère un GRB brillant.

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« 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 à 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 de l’avion et de son voyage ultérieur. En utilisant des hypothèses, toutes les études précédentes ont montré que le jet se propage le long d’un axe et ne s’écarte jamais de cet axe.

« Le jet génère un GRB lorsqu’il atteint environ 30 fois la taille de l’étoile, soit un million de fois la taille du trou noir. En d’autres termes, si le trou noir a la taille d’un ballon de plage, le jet doit s’étendre à la taille de la France avant de pouvoir produire un GRB. » — Ore Gottlieb, astrophysicien

Mais la simulation de Gottlieb a montré quelque chose de très différent. Lorsque l’étoile s’effondre dans un trou noir, la matière de cette étoile tombe sur le disque de gaz magnétisé qui tourne autour du trou noir. Le matériau qui tombe fait basculer le disque qui, à son tour, fait basculer le jet. Alors que le jet s’efforce de se réaligner sur sa trajectoire d’origine, il bascule dans l’effondrement.

Cette oscillation fournit une nouvelle explication de la raison pour laquelle les GRB scintillent. Pendant les périodes calmes, le jet ne s’arrête pas : ses faisceaux d’émission s’éloignent de la Terre, de sorte que les télescopes ne peuvent tout simplement pas l’observer.

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« L’émission de GRB est toujours inégale », 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, ces temps de repos représentent donc une fraction non négligeable de la durée totale. Les modèles précédents ne pouvaient pas expliquer d’où venaient ces temps de repos. Cette oscillation donne naturellement une explication à ce phénomène. Nous observons le jet lorsqu’il pointe vers nous. Mais lorsque le jet s’éloigne de nous, nous ne pouvons pas voir son émission. Cela fait partie de la théorie de la relativité d’Einstein. »

bizarre devient plus bizarre

Ces jets vacillants fournissent également de nouvelles informations sur le taux et la nature des GRB. 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 rares.

Si le jet était contraint de se déplacer selon un axe, il ne couvrirait qu’une mince portion de ciel, limitant la probabilité de le voir. Mais la nature bancale du jet signifie que les astrophysiciens peuvent observer les GRB dans différentes orientations, augmentant ainsi la probabilité de les détecter. 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 auparavant.

« L’idée est que nous observons les GRB dans le ciel à un certain rythme, et nous voulons connaître le véritable taux de GRB dans l’univers », a expliqué Gottlieb. « Les taux observés et réels sont différents car nous ne pouvons voir que les GRB qui nous ciblent. Cela signifie que nous devons faire des hypothèses sur l’angle que ces jets couvrent dans le ciel, afin de déduire le véritable taux GRB. Autrement dit, quelle fraction de GRB nous manque-t-il ? L’oscillation augmente la quantité de GRB détectables, de sorte que la correction du taux observé au taux réel est moindre. Si nous perdons moins de GRB, alors il y a moins de GRB dans le ciel. »

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Si cela est vrai, postule Gottlieb, alors la plupart des jets échouent à se lancer ou ne s’échappent jamais en s’effondrant pour produire un GRB. Au lieu de cela, ils restent enterrés à l’intérieur.

énergie mixte

Les nouvelles simulations ont également révélé qu’une partie de l’énergie magnétique des jets est partiellement convertie en énergie thermique. Cela suggère que le jet a une composition hybride d’énergies magnétiques et thermiques, qui produisent le GRB. Dans une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes qui alimentent les GRB, c’est la première fois que les chercheurs ont déduit la composition du jet de GRB au moment de l’émission.

« L’étude des jets nous permet de ‘voir’ ce qui se passe à l’intérieur de l’étoile lorsqu’elle s’effondre », a déclaré Gottlieb. « Sinon, il est difficile de savoir ce qui se passe dans une étoile effondrée car la lumière ne peut pas s’échapper de l’intérieur de l’étoile. Mais nous pouvons apprendre de l’émission du jet : l’histoire du jet et les informations qu’il transporte des systèmes qui le lancent. »

La plus grande avancée de la nouvelle simulation réside en partie dans sa puissance de calcul. En utilisant le code « H-AMR » sur des superordinateurs à 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 l’infographie et le traitement d’image, les GPU accélèrent la création d’images sur un écran.