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
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