De nouvelles recherches utilisant des simulations informatiques et des données astronomiques révèlent que certains sursauts gamma (GRB) de longue durée sont provoqués par des fusions cosmiques qui forment des trous noirs, remettant en question les théories précédentes selon lesquelles les GRB sont entièrement causés par l'effondrement des étoiles. Cette avancée permet de mieux comprendre l’origine des sursauts gamma.
Les astrophysiciens de l'Institut Fratillon et leurs collègues ont utilisé des simulations informatiques de pointe pour nous permettre de mieux comprendre comment les trous noirs génèrent les sursauts les plus énergétiques de l'univers.
Des simulations informatiques de pointe combinées à des calculs théoriques aident les astronomes à mieux comprendre les origines de certains des phénomènes lumineux les plus énergétiques et mystérieux de l'univers : les sursauts gamma (GRB). Le nouveau modèle unifié confirme que certains sursauts gamma de longue durée sont produits après des fusions cosmiques qui ont créé des bébés trous noirs entourés d’un disque géant de matière première.
Les astronomes pensaient auparavant que les trous noirs qui créent de longs GRB se forment généralement lorsque des étoiles massives s’effondrent. Cependant, de nouveaux modèles montrent qu'ils pourraient également être créés lorsque deux objets denses fusionnent, comme une paire d'étoiles à neutrons - les restes denses et morts d'étoiles massives - ou un trou noir et une étoile à neutrons. Ces résultats expliquent les longs GRB récemment observés, que les astronomes n'ont pas pu associer à l'effondrement stellaire.
Les créateurs de la simulation ont publié leurs résultats le 29 novembre dans The Astrophysical Journal Letters.
Les simulations montrent comment la fusion d’un trou noir et d’une étoile à neutrons crée de puissants jets et vents qui génèrent des sursauts gamma. Une nouvelle étude propose un cadre reliant la physique de telles fusions aux observations de sursauts gamma. Des recherches ont montré que la fusion d'objets massifs tels que des trous noirs et des étoiles à neutrons peut produire des sursauts gamma de longue durée. Source : Ole Gottlieb
"Nos résultats relient les observations à la physique fondamentale et unifient de nombreuses questions sans réponse dans le domaine des sursauts gamma", a déclaré Ore Gottlieb, auteur principal de la nouvelle étude et chercheur au Centre d'astrophysique computationnelle (CCA) du Flatiron Institute de New York. "Pour la première fois, nous pouvons savoir ce qui se passe avant la formation d'un trou noir grâce à l'observation des GRB."
Les GRB sont les événements les plus brillants et les plus violents de l’univers. Les GRB ont ébloui et intrigué les astronomes depuis leur première détection en 1967. Même si des décennies ont passé, le mécanisme exact qui produit de puissants sursauts gamma reste incertain. Au fil des années, les astronomes ont remarqué deux types distincts de sursauts gamma : l’un durant moins d’une seconde et l’autre durant 10 secondes ou plus. Les chercheurs ont finalement déterminé que les GRB courts provenaient de jets émis après la fusion de deux objets compacts, tandis que les GRB longs pouvaient apparaître dans les jets émis lors de l’effondrement d’étoiles massives en rotation. Mais au cours de l’année écoulée, deux observations inhabituelles de longs GRB ont montré que ce ne sont pas seulement les géants qui s’effondrent qui provoquent les longs GRB.
Gottlieb et ses collègues ont mené des simulations de pointe pour tester comment la fusion d'objets massifs et compacts pouvait déclencher des sursauts gamma. Les nouvelles simulations ont duré plusieurs mois et ont été réalisées en partie sur un supercalculateur de l'Institut Fratilon. La nouvelle simulation démarre lorsque les deux objets compacts sont en orbite rapprochée et suit les jets jusqu'à ce qu'ils s'éloignent du site de fusion. Cette approche permet aux chercheurs de faire moins d’hypothèses sur la physique impliquée. En combinant des simulations avec des contraintes issues de données astronomiques, les scientifiques ont construit un modèle unifié de l'origine des GRB.
Les chercheurs ont déterminé que le GRB inhabituel avait été créé après la fusion de deux objets compacts. La fusion crée un trou noir entouré d’un grand disque d’accrétion – un beignet de matériau magnétique restant en rotation rapide – qui peut émettre de longs GRB. Ces informations issues des simulations aident les astronomes à comprendre non seulement les objets qui produisent ces sursauts gamma, mais aussi ce qui se passe avant eux.
Les simulations montrent comment la fusion d’un trou noir et d’une étoile à neutrons crée de puissants jets et vents qui génèrent des sursauts gamma. Une nouvelle étude propose un cadre reliant la physique de telles fusions aux observations de sursauts gamma. Des recherches ont montré que la fusion d'objets massifs tels que des trous noirs et des étoiles à neutrons peut produire des sursauts gamma de longue durée. Source : Ole Gottlieb
Gottlieb a déclaré : « Si nous observons un long sursaut gamma comme celui observé en 2022, nous savons maintenant qu'il provient d'un trou noir avec un disque massif. Sachant qu'il existe un disque massif, nous pouvons maintenant calculer le rapport de masse des deux corps parents, car leur rapport de masse est lié aux propriétés du disque. Par exemple, la fusion d'étoiles à neutrons de masses inégales produira inévitablement des GRB avec des durées plus longues.
Les scientifiques espèrent utiliser ce modèle unifié pour déterminer quels objets produisent des GRB courts. Le modèle suggère que ces sursauts pourraient être provoqués par des trous noirs dotés de disques d'accrétion plus petits, ou par un type d'objet connu sous le nom d'étoile à neutrons supermassive, une forme d'étoile instable qui s'effondre rapidement pour former un trou noir, mais pas avant d'émettre une courte impulsion GRB. Les scientifiques espèrent qu’avec davantage d’observations de GRB, ils pourront affiner davantage leurs simulations pour déterminer l’origine de tous les GRB. Bien que les observations de GRB soient encore relativement rares, les astronomes visent à capturer davantage de GRB lorsque l'observatoire Vera C Rubin commencera ses observations début 2025.
"Au fur et à mesure que nous ferons davantage d'observations de GRB de différentes durées d'impulsion, nous serons mieux en mesure de détecter le moteur central qui alimente ces événements extrêmes", a déclaré Gottlieb.