La collision des géants : mystères révélés des fusions d'étoiles à neutrons

ParisFusion de deux étoiles à neutrons : des simulations révèlent des détails fascinants

Deux étoiles à neutrons peuvent se rapprocher et fusionner lorsqu'elles se rapprochent et s'attirent mutuellement. Ces astres, bien que très denses et petits, sont froids. Lorsqu'elles entrent en collision, un point de contact devient extrêmement chaud. De nouvelles simulations apportent des éclaircissements intéressants sur ce phénomène.

Voici ce qui se passe :

• Des neutrinos chauds sont produits.
• Ces neutrinos peuvent être emprisonnés par la chaleur et la densité.
• Ils interagissent faiblement avec la matière des étoiles.
• Cette interaction aide à ramener les particules vers l'équilibre.

Pedro Luis Espino, chercheur postdoctoral à Penn State et UC Berkeley, a dirigé une étude avec une équipe de physiciens de Penn State. Leurs résultats ont été publiés dans Physical Review Letters. Espino a souligné qu'en 2017, nous avons détecté pour la première fois des signaux provenant de la fusion d'une paire d'étoiles à neutrons, y compris des ondes gravitationnelles. Cette découverte a considérablement accru l'intérêt pour l'étude des étoiles à neutrons binaires.

David Radice, professeur adjoint à l'Université Penn State, explique que les étoiles à neutrons sont principalement composées de neutrons, qu'elles sont extrêmement denses et peuvent devenir très chaudes lorsqu'elles entrent en collision. Comme les photons ne peuvent pas s'échapper pour les refroidir, elles libèrent des neutrinos à la place.

Voici quelques points essentiels de la recherche :

• Les neutrinos sont produits lorsque les neutrons des étoiles se percutent et se fragmentent en protons, électrons et neutrinos.
• Pendant 2 à 3 millisecondes, les neutrinos peuvent être emprisonnés par la chaleur et la densité de la fusion.
• Bien que brève, cette phase est essentielle pour comprendre la physique de la fusion.
• Les interactions des neutrinos peuvent influencer les types de signaux observés sur Terre.

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Les chercheurs ont utilisé des ordinateurs puissants pour analyser la fusion de deux étoiles à neutrons et les phénomènes physiques en jeu. Ils ont découvert que, bien que cette phase soit éphémère, les neutrinos peuvent être piégés par la chaleur et la densité générées par la fusion et interagir avec la matière des étoiles.

Radice explique que l'étude de ces événements nous permet de découvrir de nouvelles lois physiques. La phase de déséquilibre ne dure que 2 à 3 millisecondes, mais des phénomènes physiques importants se produisent durant cet instant. Lorsque le système retrouve son équilibre, notre compréhension des lois physiques s'améliore.

Espino a expliqué que la manière dont les neutrinos interagissent avec la matière des étoiles peut influencer les vibrations dans les résidus fusionnés. Ces oscillations peuvent modifier les signaux de lumière et les ondes gravitationnelles que nous détectons sur Terre. Des détecteurs futurs pourraient être conçus pour rechercher ces variations de signaux.

L'équipe de recherche comprenait des chercheurs postdoctoraux Peter Hammond et Rossella Gamba de l'Université d'État de Pennsylvanie ; Sebastiano Bernuzzi, Francesco Zappa et Luís Felipe Longo Micchi de l'Université Friedrich-Schiller de Jena en Allemagne ; et Albino Perego de l'Université de Trente en Italie. Le projet de recherche a été financé par la Fondation Nationale pour la Science des États-Unis, le Département de l'Énergie des États-Unis, la Deutsche Forschungsgemeinschaft et l'Union Européenne.

Les simulations ont été réalisées sur les supercalculateurs Bridges2, Expanse, Frontera et Perlmutter. Les ressources du National Energy Research Scientific Computing Center ont également été utilisées. Les auteurs remercient le Gauss Centre for Supercomputing pour le financement et l'attribution de temps sur le SuperMUC-NG au Leibniz Supercomputing Centre.