vendredi 23 février 2024

Webb dévoile une étoile à neutrons dans le résidu de la supernova SN 1987A


Un mystère vieux de plusieurs décennies concernant l'une des explosions d'étoiles les plus célèbres de l'histoire vient d'être résolu par le télescope spatial James Webb (JWST). Nous parlons de la supernova historique SN1987A et de la nature de l'astre compact qui en est le résidu. Une équipe montre la preuve que c'est une étoile à neutrons et non un trou noir, ils publient leur travail dans Science.

mercredi 21 février 2024

Un champ magnétique de type dynamo produit lors des fusions d'étoiles à neutrons


Les fusions d’étoiles à neutrons sont complexes à comprendre. Une petite pièce du puzzle vient peut-être d'être résolue par une équipe d'astrophysiciens grâce à une simulation super chiadée qui permet d'expliquer comment des courts sursauts gamma peuvent être lancés par un magnétar grâce au champ magnétique de type dynamo qui est produit au moment de la collision/fusion. L'étude est publiée dans Nature Astronomy.

Les observations à multi-messagers de la fusion d'étoiles à neutrons GW170817 et en particulier les détections de rayons gamma par les télescopes spatiaux Fermi et Integral ont confirmé que les étoiles à neutrons en collision sont une source de sursauts gamma (GRB) de courte durée. Même si les observations de GW170817 ont commencé à révolutionner notre compréhension de l’émission des étoiles à neutrons en fusion, de nombreuses questions restent ouvertes. L’une de ces questions concerne la nature du moteur qui entraîne le GRB, notamment s’il s’agit d’une étoile à neutrons hautement magnétisée (un magnétar) ou d’un trou noir formé après la fusion.
Un élément clé dans l'évaluation de l'hypothèse magnétar est la manière dont les champs magnétiques extrêmes nécessaires pour expliquer les émissions peuvent être créés. Kenta Kiuchi (Institut Max Planck de physique gravitationnelle (Institut Albert Einstein) à Potsdam) et ses collaborateurs ont produit une simulation à ultra haute résolution qui démontre comment ces champs extrêmes peuvent être créés à la suite de la collision chaotique et turbulente de deux étoiles à neutrons. En résolvant les mouvements turbulents à petite échelle dans leurs simulations, ils montrent que de petites zones de champ extrêmement puissant s'organisent en une structure plus grande qui est capable de lancer un écoulement à partir du reste du magnétar et qui serait énergétiquement compatible avec l'émission typique du GRB.
Les magnétars ont généralement des intensités de champ magnétique de l'ordre de 1015 G. Bien que les magnétars puissent être fabriqués dans différents environnements astrophysiques, un canal de formation possible passe par la collision de deux étoiles à neutrons. La turbulence qui se développe lors de la collision et dans l'objet résiduel a été suggérée comme mécanisme permettant d'amplifier le champ magnétique. Lorsque les deux étoiles à neutrons plongent l’une dans l’autre, la majorité de leur moment cinétique orbital est absorbée par la rotation du résidu. Kiuchi et ses collaborateurs montrent que cela conduit à de forts écoulements de cisaillement. Et le long de ces couches de cisaillement, l'instabilité de Kelvin – Helmholtz (IKH) peut créer de petits vortex de champ magnétique puissant (similaire à la façon dont les vagues sont créées à la surface d'un lac dans des conditions venteuses). À mesure que l'objet compact résiduel se stabilise, l’instabilité magnéto-rotationnelle (IRM) peut encore amplifier le champ magnétique et entraîner des mouvements turbulents. La simulation de l'évolution turbulente de la fusion et du résidu est un défi car elle implique les quatre forces fondamentales : la gravité sous relativité générale pour modéliser la collision relativiste, les forces nucléaires fortes et faibles pour modéliser la matière extrêmement chaude et dense du magnétar et leurs processus de refroidissement. via les neutrinos et la force électromagnétique pour gérer les plasmas hautement magnétisés qui se forment dans les restes de la collision.
Et ces simulations sont extrêmement exigeantes en termes de calcul et gourmandes en ressources, car il existe un contraste important entre les mouvements turbulents à petite échelle qui doivent être résolus et la taille et les échelles de temps totales du système. Bien que des simulations de turbulence à haute résolution aient démontré dans le passé que l'IKH et l'IRM peuvent générer de petites zones de champ magnétique de type magnétar, il était moins clair de savoir comment ce champ pouvait être ordonné dans un champ magnétique plus grand pour former les structures à grande échelle nécessaires. Il faut en effet pouvoir expliquer les flux sortants du reste du magnétar et qu'ils soient suffisamment énergétiques pour expliquer les observations du GRB.
Kiuchi et coll. montrent que les processus d'amplification non linéaires (en particulier un effet dynamo) apparaissent. Une interaction entre des mouvements circulaires introduits dans la direction radiale α par convection et dans la direction azimutale Ω par rotation conduit à une boucle de rétroaction positive à la suite des turbulences provoquées par l'IKH et l'IRM. Ils montrent que les petites parcelles de champ de type magnétar peuvent être ordonnées en structures suffisamment grandes pour prendre en charge le lancement des flux du GRB. 
Les astrophysiciens trouvent que le champ magnétique induit un écoulement relativiste dominé par le flux de Poynting avec une luminosité équivalente isotrope d'environ 1052 erg s-1 et une éjection de masse post-fusion d'environ 0,1 M⊙ dirigée magnétiquement. Par conséquent, selon eux, l’hypothèse du magnétar, dans laquelle une étoile à neutrons résiduelle ultra-fortement magnétisée entraîne un jet relativiste lors d'une fusion d’étoiles à neutrons, est possible. Les magnétars peuvent donc être les moteurs de sursauts gamma courts et énergétiques, et ils devraient être associés à des kilonovas très brillantes. 

Kiuchi et coll. démontrent que même si le champ magnétique initial avait une intensité beaucoup plus faible ou une topologie différente de celle qu'ils ont supposée, la force de saturation et le profil de champ dus à l'instabilité de Kelvin-Helmholtz dans le résidu de la fusion seraient similaires à ceux qu'ils ont trouvés. De plus, la manière dont le champ magnétique poloïdal moyen est défini dans la réalité après la fusion reste un problème ouvert. Kiuchi et ses collaborateurs indiquent que si le champ magnétique poloïdal moyen juste après la fusion est une relique du champ poloïdal d'avant la fusion, soit entre 1010 et 1011  G au maximum, cela peut prendre environ 200 ms pour atteindre l'intensité de saturation de 1014 à 1015 G, car ils supposent que le champ poloïdal moyen est amplifié de manière exponentielle avec la période de la dynamo. Par conséquent, le jet pourrait être lancé environ 100 ms après la fusion en réalité. Mais ils rappellent aussi que la structure intérieure du champ magnétique dans les étoiles à neutrons avant la fusion n'est pas bien comprise, et que la reconnexion magnétique du champ poloïdal fluctuant généré par l'instabilité de Kelvin – Helmholtz pourrait améliorer le champ poloïdal moyen après la fusion.

En tous cas, cette preuve de principe qui relie l’amplification turbulente dans le magnétar au lancement des écoulements produisant un GRB est une belle prouesse. Non seulement il a fallu des années de travail pour développer les outils logiciels nécessaires pour permettre ces simulations, mais également un grand soin dans l'analyse détaillée de l'image turbulente complexe du résidu afin d'identifier quel processus de dynamo est à l'origine de la croissance et de l'ordonnancement du champ magnétique.

Kiuchi et ses collaborateurs concèdent que de nombreux processus importants dans la modélisation détaillée des émissions de GRB n'ont pas été pris en compte dans cette simulation (par construction, car même sur les superordinateurs les plus rapides disponibles au monde, une telle simulation ne serait pas réalisable). Cela rend donc difficile la comparaison directe des simulations avec des données d'observation comme celles de GW170817. Néanmoins, ces simulations inédites démontrent le vaste potentiel du domaine de l’astrophysique computationnelle et en particulier le rôle que la simulation numérique peut jouer dans la compréhension des processus astrophysiques qui ne peuvent pas être sondés en laboratoire. 

Les autres pièces du puzzle, devront être assemblées par les modélisateurs pour construire des modèles qui prennent en compte les résultats de ces simulations directes et les données d'observations, à un coût de calcul beaucoup plus réduit. Les efforts qui sont menés actuellement pour y parvenir sont par exemple des modélisations en grille de la physique qui se produit à des échelles plus petites que celles simulées, ainsi que des approches d'apprentissage automatique qui développent des réseaux de neurones qui apprennent sur des données de simulation à haute résolution en incluant la physique pertinente.

Source

A large-scale magnetic field produced by a solar-like dynamo in binary neutron star mergers
Kenta Kiuchi et al.
Nature Astronomy (15 february 2024)

Illustrations

1. Champs magnétiques produits dans un magnétar résiduel d'une fusion d'étoiles à neutrons (Kiuchi et al.)
2. signaux électromagnétiques du magnétar obtenus dans la simulation (Kiuchi et al.)
3. Kenta Kiuchi

lundi 19 février 2024

Deuxième image du trou noir M87*, cuvée 2018


La collaboration Event Horizon Telescope (EHT) a produit une nouvelle image de M87*, enregistrée un an après la première qui avait été révélée en 2019, et à l'aide d'un radiotélescope supplémentaire dans le réseau, situé au Groenland. Dans l'article publié dans Astronomy&Astrophysics, on voit un anneau d'exactement la même dimension qu'en 2019, mais différent en terme de zone brillante...
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vendredi 16 février 2024

Un sursaut radio rapide observé pile entre 2 glitchs d'un magnétar


Le 28 avril 2020, 
un sursaut radio rapide (FRB), de durée milliseconde, a été détecté à partir du magnétar galactique SGR 1935+2154, confirmant l'association longtemps soupçonnée entre certains FRB et les magnétars. Cependant, le mécanisme de génération des FRBs dans les magnétars reste encore peu clair. Mais une équipe d'astrophysiciens vient de faire une observation cruciale sur ce même magnétar lorsqu'il a produit un nouveau FRB le 14 octobre 2022 : une brutale variation de vitesse de rotation de l'étoile à neutrons... Ils publient leur découverte dans Nature.

mercredi 14 février 2024

Une kilonova dans le voisinage du système solaire il y a 4 millions d'années


La détection récente des isotopes 60Fe et 244Pu dans les sédiments océaniques profonds, remontant à 3 ou 4 Mégannées pose un sérieux défi pour l'identification de leur(s) site(s) de production. Alors que le 60Fe est généralement attribué aux supernovas à effondrement du cœur classiques, le plutonium est formé par processus r, une nucléosynthèse qui apparaît dans des classes très ares de supernovas ou des fusions d'étoiles à neutrons. Des chercheurs ont étudié l'énigme de ces isotopes en simulant l'effet qu'aurait eu une kilonova à proximité de la Terre il y a quelques millions d'années, ils publient leur étude dans The Astrophysical Journal Letters.

lundi 12 février 2024

Découverte d'une étoile grande comme seulement 7 fois la Terre


Des astrophysiciens chinois ont récemment découvert un système d’étoiles binaires étonnant, composé d’une naine blanche et d’une petite étoile de type sous-naine chaude. Les deux étoiles se tournent autour l'une de l'autre en seulement 20,5 minutes. Et elles sont sur le point de générer un fort rayonnement d’ondes gravitationnelles d’une fréquence de l'ordre du millihertz, qui devrait être détecté par les futurs observatoires spatiaux d’ondes gravitationnelles. Ils publient leur étude dans Nature Astronomy

vendredi 9 février 2024

Le gap entre super-Terres et sous-Neptunes enfin expliqué


Parmi la population de plus 5000 exoplanètes connues à ce jour, il existe un trou incompris dans la distribution du rayon des planètes, entre les superTerres et les sous-Neptunes  (vers R ∼ 1,7  R ⊕). Une équipe d'astronomes s'est repenchée sur cette question et a trouvé une solution très intéressante... Ils publient leur étude dans Nature Astronomy.

jeudi 8 février 2024

L'océan de Mimas


Mimas vient de rejoindre la liste croissante de lunes glacées qui sont également des mondes océaniques. La découverte à laquelle les planétologues ne s'attendaient pas vraiment, est rapportée aujourd'hui dans Nature. La géologie de Mimas ne montre aucun signe d'un éventuel océan enfoui, comme les structures de glace qui se bousculent sur Europe, la lune de Jupiter, ou les geysers qui jaillissent d'Encelade , une autre lune glacée de Saturne. Et pourtant...

mardi 6 février 2024

Une solution pour l'émission Lyman α des galaxies précoces


À l'époque du début de la réionisation de l’Univers, les premières galaxies étaient enveloppées de gaz neutre, et l'une des raies d'émission les plus brillantes des galaxies, la raie de l’hydrogène Lyman α (Lyα), devait rester indétectable jusqu'à ce que l'Univers devienne ionisé. Mais cette émission qui est normalement absorbée par l’hydrogène neutre est tout de même étonnamment détectée dans des galaxies précoces. Une équipe d’astrophysiciens vient de comprendre par quel mécanisme cela est possible, grâce à des observations du télescope Webb. Ils publient leur étude dans Nature Astronomy.

samedi 3 février 2024

L'Event Horizon Telescope dévoile le champ magnétique du trou noir 3C 84


La collaboration Event Horizon Telescope (EHT)  a utilisé son réseau de radiotélescopes de la taille de la Terre pour sonder la structure magnétique du noyau de la galaxie NGC 1275 qui est aussi la source radio 3C 84 (ou Perseus A), et qui contient l’un des trous noirs supermassifs actifs les plus proches de notre voisinage. Ces nouveaux résultats fournissent un nouvel aperçu de la manière dont les jets des trous noirs supermassifs sont lancés, révélant que les champs magnétiques dominent la gravité. L'étude est parue dans Astronomy&Astrophysics.

mercredi 31 janvier 2024

Cassiopeia A : PeVatron ou pas PeVatron ?


Pendant des décennies, les résidus de supernova (SNR) ont été considérés comme les principales sources de rayons cosmiques galactiques. Mais la question de savoir si les SNR peuvent accélérer des protons jusqu'aux énergies de l'ordre du PeV (ce qui en ferait donc des PeVatrons) fait actuellement l'objet d'un débat intense. Une équipe d'astrophysiciens à étudié un site de production potentiel, à savoir le jeune résidu de supernova Cassiopeia A, grâce aux photons gamma ultra-énergétiques qui en proviennent et qui doivent être liés à la production de rayons cosmiques. Ils publient leurs résultat dans The Astrophysical Journal Letters.

lundi 29 janvier 2024

𝜔 Centauri : un coeur en contre-rotation et un trou noir introuvable


𝜔 Centauri est considéré comme l'amas globulaire le plus massif de la Voie lactée et probablement l'ancien amas d'étoiles nucléaires d'une galaxie accrétée par la Voie Lactée. On suppose, d'après plusieurs modèles dynamiques, qu'il contient un trou noir de masse intermédiaire (plus de 1000 masses solaires). Aujourd'hui, une équipe d'astrophysiciens vient de découvrir que les étoiles formant le coeur de 𝜔 Centauri tournent dans l'autre sens que le reste des étoiles de l'amas, ce qui permet de mieux situer où se trouve le centre géométrique de 𝜔 Centauri, et de chercher son trou noir massif... L'étude est parue dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

dimanche 28 janvier 2024

Le microquasar SS 433 est une source de rayons cosmiques énergétiques


L'origine de certaines des particules les plus énergétiques que la Galaxie puisse produire a été identifiée grâce au télescope gamma H.E.S.S en Namibie. Les observations indiquent la position où les particules sont accélérées à une vitesse proche de la vitesse de la lumière par le voisinage d'un trou noir stellaire, qui se trouve dans la région connue sous le nom de nébuleuse du Lamantin. Il s'agit du microquasar SS 433. L'étude est publiée dans Science.

vendredi 26 janvier 2024

New Horizons mesure un excès de poussière dans le système solaire extérieur

La sonde New Horizons est toujours active et continue sa route dans les zones externes du système solaire, la ceinture de Kuiper peuplée de nombreux petits corps. Mais cette zone du système solaire comporte aussi de la poussière et New Horizons possède un détecteur de poussière qui est géré en partie par des étudiants états-uniens. Ils publient aujourd'hui dans The Astrophysical Journal Letters leurs derniers résultats jusqu'à une distance de 55 UA du Soleil, et ils trouvent un flux de poussière plus élevé que prévu par les modèles...

mercredi 24 janvier 2024

Eris et Makémaké : des planètes naines actives


Eris et Makémaké sont deux planètes naines de notre système solaire qui sont de la famille de Pluton. Une équipe d'astronomes a eu l'idée de les observer avec le télescope Webb et son spectromètre NIRSpec pour travailler avec la lumière solaire réfléchie par leur surface glacée à des longueurs d'onde allant de 1 à 5 μm. Il parviennent à déterminer des rapports isotopiques Deutérium/Hydrogène et 13C/12C ce qui les mènent sur l'origine de l'hydrogène et du carbone de la surface des deux planètes naines. L'étude est publiée dans Icarus.