On a encore progressé dans la simulation d’un trou noir dévorant une étoile à neutrons

Il y a un peu moins de 90 ans, l’existence des ondes gravitationnellesondes gravitationnelles était déjà suggérée par les équations de la relativité générale, même s’il a fallu attendre quelques décennies pour qu’Yvonne Choquet-Bruhat en fasse la première démonstration mathématique. L’existence du neutron était par contre admise mais les premiers travaux sur les trous noirs et les étoiles à neutrons, que l’on doit à Oppenheimer et ses thésards, étaient encore regardés avec scepticisme.

Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons ? Quelle différence entre ces étoiles et notre Soleil ? Roland Lehoucq, astrophysicien au CEA, nous explique que les étoiles à neutrons rayonnent très peu en lumière visible, contrairement à notre Soleil. Aussi, les étoiles à neutrons ont des tailles beaucoup plus petites que celle du Soleil : une étoile à neutrons a un diamètre compris entre 10 et 15 kilomètres, contre 1,4 million de km pour le Soleil. Ce sont également des objets compacts qui contiennent une quantité importante de matière dans un volume très petit. Étudier ces étoiles permet de tester à une échelle différente les théories de physique nucléaire. © CEA Recherche

Des ondes gravitationnelles et électromagnétiques avec des étoiles à neutrons

Depuis 2015, les choses ont bien changé avec la détection au cours de la décennie passée des ondes gravitationnelles, d’abord de collisions de trous noirs stellairestrous noirs stellaires, puis de celles entre deux étoiles à neutrons et enfin entre une étoile à neutrons et un trou  noir. Toutefois, ces détections n’ont été rendues possibles qu’en disposant aussi de simulations de ce qui se passe lors de ces événements cosmiques qui libèrent de fantastiques quantités d’énergie sous forme de rayonnement divers quand des étoiles à neutrons sont en jeu.

Futura a consacré déjà plusieurs articles aux collisions binairesbinaires d’étoiles à neutrons et entre trous noirs stellaires et étoiles à neutrons. On s’attend à ce que ces événements s’accompagnent d’émissionsémissions d’ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques dans différentes bandes de longueurs d’ondelongueurs d’onde et notamment avec des photonsphotons gamma, ce qui explique bien les sursautssursauts gamma courts accompagnant les fusionsfusions d’étoiles à neutrons donnant des kilonovae. Des flux de neutrinosneutrinos doivent aussi être générés et ces fusions d’astresastres compacts sont donc très intéressantes quand on veut faire de l’astronomie multimessagers.

Une vue d’artiste d’un trou noir et d’une étoile à neutrons dans un système binaire. Les ondes gravitationnelles émises déforment l’espace-temps et modifient la propagation de la lumière. Le produit final de la collision entre ces astres qui perdent de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles – ce qui cause leur rapprochement – est un trou noir. © Carl Knox, OzGrav-Swinburne University.

Au cours de ses dernières années, des simulations et des travaux théoriques de plus en plus pointus ont permis de faire progresser nos connaissances de ce qui se passe lorsque les forces de maréeforces de marée d’un trou noir détruisent une étoile à neutrons en cours de collision (voir deux publications récentes avec des articles en accès libre dans The Astrophysical Journal Letters et sur arXiv).

Les nouvelles simulations permettent de tenir compte de phénomènes inédits sur ordinateurordinateur, mais parfois prédits théoriquement. Ainsi, on sait que la surface d’une étoile à neutrons est une croûtecroûte dense et particulièrement rigide composée de beaucoup de ferfer. Mais, à l’approche de l’horizon des événementshorizon des événements d’un trou noir, ces forces de marée vont fracturer cette croûte engendrant l’équivalent des séismesséismes sur les planètes rocheusesplanètes rocheuses. En retour, l’horizon des événements du trou noir, avant la collision, est déformé dynamiquement, ce qui conduit déjà à un signal gravitationnel bien précis avant celui attendu lors de la fusion ultérieure.

Des pulsars – trous noirs ?

La fracturation de l’étoile à neutrons conduit par elle-même à un signal électromagnétique, là aussi bien spécifique simulé pour la première fois. Un autre du même genre s’ajoute lorsque la matièrematière arrachée à l’étoile forme une distribution de plasma entourant le trou noir en rotation transitoirement. Les simulations de ce dernier phénomène ont révélé qu’il se forme une magnétosphèremagnétosphère avec ce plasma qui se manifeste comme si l’on était en présence d’un pulsar – objet ordinairement rattaché à une étoile à neutrons seulement.

Bien que l’existence de « pulsarspulsars – trous noirs » ait été précédemment conjecturée, la simulation est la première à montrer comment un objet aussi rare pourrait réellement se former dans la nature à partir de la collision d’une étoile à neutrons et d’un trou noir.

La magnétohydrodynamique en espace-tempsespace-temps courbe décrivant le comportement du plasma avec cette collision s’accompagne de fortes ondes de chocs et d’avatarsavatars d’ondes bien connues dans le cas de la physiquephysique solaire, les fameuses appelées « ondes d’Alfvénondes d’Alfvén », du nom du physicienphysicien suédois Hannes Alfvén. Ce dernier a remporté le prix Nobel de physique en 1970 pour ses travaux sur la magnétohydrodynamique, la théorie qui décrit le comportement des champs électromagnétiqueschamps électromagnétiques dans un plasma.

Plus généralement et plus précisément, on sait désormais qu’une combinaison de rayons Xrayons X et gamma ainsi que d’ondes radio avant la fusion même des astres compacts et l’émission principale d’ondes gravitationnelles doit exister dont on connaît les caractéristiques principales et que l’on doit pouvoir détecter juste avant cette fusion. En fait, les astrophysiciensastrophysiciens relativistes pensent qu’ils peuvent détecter des ondes gravitationnelles produites avant les signaux électromagnétiques de la collision trou noir/étoile à neutrons dans un futur proche et donc pointer des télescopestélescopes vers le système binairesystème binaire juste avant les flashsflashs électromagnétiques attendus. Cela devrait être possible bientôt avec les détecteurs LigoLigo et VirgoVirgo.

Cet extrait d’une simulation sur superordinateur montre les conséquences d’une collision entre un trou noir et une étoile à neutrons. Après que le trou noir a absorbé l’étoile à neutrons magnétisée, un objet hypothétique appelé « pulsar de trou noir » se forme, dans lequel des flux magnétiques balayent le trou noir lors de sa rotation. Les fines lignes jaunes représentent l’interface où des champs magnétiques opposés se rencontrent. Des courants électriques se forment à cette interface et chauffent le plasma, ce qui peut alimenter des émissions gamma et X brillantes. Ce film couvre une période d’environ huit millisecondes après la fusion. © Yoonsoo Kim, Caltech