Les simulations informatiques tridimensionnelles avancées reflètent fidèlement les observations réelles de la lumière émise par les fusions d’étoiles à neutrons, approfondissant ainsi notre compréhension de l’origine des éléments lourds. De nouvelles simulations informatiques tridimensionnelles avancées de la lumière émise par la fusion de deux étoiles à neutrons produisent une séquence de signatures spectrales similaire à celles observées dans les kilonovae.
Fusion de deux étoiles à neutrons. Les progrès récents dans les simulations informatiques tridimensionnelles permettent de mieux comprendre la lumière émise par la fusion des étoiles à neutrons. Ces simulations sont cruciales pour comprendre les origines des éléments plus lourds que le fer. Source : DanaBerrySkyWorksDigital, Inc.
"L'accord sans précédent entre nos simulations et les observations de kilonova AT2017gfo montre que nous avons une idée approximative de ce qui s'est passé pendant et après l'explosion", a déclaré Luke J. Shingles, scientifique du GSI/FAIR, auteur principal de l'article dans The Astrophysical Journal Letters. "Des observations récentes combinant ondes gravitationnelles et lumière visible suggèrent que les fusions d'étoiles à neutrons sont le principal site de production de cet élément."
La mécanique derrière les simulations de transfert radiatif
L’interaction entre les électrons, les ions et les photons présents dans la matière éjectée lors de la fusion des étoiles à neutrons détermine la lumière que nous voyons à travers les télescopes. Ces processus ainsi que la lumière émise peuvent être modélisés à l’aide de simulations informatiques du transfert radiatif. Les chercheurs ont récemment produit pour la première fois une simulation tridimensionnelle capable de suivre de manière cohérente l'énergie déposée par les fusions d'étoiles à neutrons, la nucléosynthèse par capture de neutrons, la désintégration radioactive et le transfert radiatif de dizaines de millions de transitions atomiques dans les éléments lourds.
L'épicentre sert de modèle tridimensionnel et les rayons lumineux observés peuvent être prédits dans n'importe quelle direction d'observation. Lorsque la direction d'observation est presque perpendiculaire au plan orbital de deux étoiles à neutrons (comme le kilonova AT2017gfo montré par des preuves d'observation), la séquence de distribution spectrale prédite par le modèle est très similaire à l'AT2017gfo observée. "La recherche dans ce domaine nous aidera à comprendre les origines des éléments plus lourds que le fer, tels que le platine et l'or, qui ont été principalement produits par des processus rapides de capture de neutrons lors de fusions d'étoiles à neutrons", a déclaré Shingles.
Environ la moitié des éléments plus lourds que le fer ont été créés dans des environnements présentant des températures et des densités de neutrons extrêmes, comme lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent. Lorsque les deux étoiles à neutrons finissent par se précéder et se condenser ensemble, l'explosion qui en résulte provoque l'éjection de matière qui, dans de bonnes conditions, produit des noyaux lourds instables et riches en neutrons grâce à une cascade de capture de neutrons et de désintégration bêta. Ces noyaux se désintègrent jusqu'à un état stable, libérant de l'énergie qui alimente le transitoire explosif « kilonova », une émission de lumière vive qui s'estompe rapidement en une semaine environ.
Les simulations tridimensionnelles combinent plusieurs domaines de la physique, notamment le comportement de la matière à haute densité, les propriétés des noyaux lourds instables et les interactions atome-lumière des éléments lourds. D'autres défis demeurent, tels que le calcul du taux de changement de la distribution spectrale et la caractérisation du matériau éjecté à un stade avancé.
Les progrès futurs dans ce domaine amélioreront la précision avec laquelle nous prévoyons et comprenons les caractéristiques spectrales et approfondiront davantage notre compréhension des conditions de synthèse des éléments lourds. Un élément essentiel de ces modèles réside dans les données expérimentales atomiques et nucléaires de haute qualité, que fournira l'installation FAIR.