La chute de la poussière d’étoiles et les jets vacillants expliquent les sursauts gamma clignotants

Une équipe d’astrophysiciens dirigée par l’Université Northwestern a développé la toute première simulation 3D complète de l’évolution complète d’un jet formé par une étoile qui s’effondre, ou un « collapsar ».

Parce que ces jets génèrent des sursauts de rayons gamma (GRB) – les événements les plus énergétiques et les plus lumineux de l’univers depuis le Big Bang – les simulations ont mis en lumière ces sursauts de lumière particuliers et intenses. Leurs nouvelles découvertes incluent une explication à la question de longue date de savoir pourquoi les GRB sont mystérieusement ponctués de moments calmes – clignotant entre des émissions puissantes et une immobilité étrangement calme. La nouvelle simulation montre également que les GRB sont encore plus rares qu’on ne le pensait auparavant.

La nouvelle étude sera publiée le 29 juin dans Lettres du journal astrophysique. Il s’agit de la première simulation 3D complète de toute l’évolution d’un jet, de sa naissance près du trou noir à son émission après s’être échappé de l’étoile qui s’effondre. Le nouveau modèle est également la simulation de résolution la plus élevée jamais réalisée d’un jet à grande échelle.

« Ces jets sont les événements les plus puissants de l’univers », a déclaré Ore Gottlieb de Northwestern, qui a dirigé l’étude. « Des études précédentes ont tenté de comprendre leur fonctionnement, mais ces études étaient limitées par la puissance de calcul et devaient inclure de nombreuses hypothèses. Nous avons pu modéliser toute l’évolution du jet depuis le tout début – depuis sa naissance par un trou noir – sans rien présumer de la structure du jet. Nous avons suivi le jet du trou noir jusqu’au site d’émission et avons trouvé des processus qui ont été négligés dans les études précédentes.

Gottlieb est boursier Rothschild au Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA) de Northwestern. Il a co-écrit l’article avec Sasha Tchekhovskoy, membre du CIERA, professeur adjoint de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern.

Vacillement étrange

Phénomène le plus lumineux de l’univers, les GRB émergent lorsque le noyau d’une étoile massive s’effondre sous sa propre gravité pour former un trou noir. Lorsque le gaz tombe dans le trou noir en rotation, il s’active, lançant un jet dans l’étoile qui s’effondre. Le jet frappe l’étoile jusqu’à finalement s’en échapper, accélérant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Après s’être libéré de l’étoile, le jet génère un GRB brillant.

« Le jet génère un GRB lorsqu’il atteint environ 30 fois la taille de l’étoile, soit un million de fois la taille du trou noir », a déclaré Gottlieb. « En d’autres termes, si le trou noir a la taille d’un ballon de plage, le jet doit s’étendre sur toute la France avant de pouvoir produire un GRB. »

En raison de l’énormité de cette échelle, les simulations précédentes n’ont pas été en mesure de modéliser l’évolution complète de la naissance du jet et de son voyage ultérieur. En utilisant des hypothèses, toutes les études précédentes ont montré que le jet se propage le long d’un axe et ne s’écarte jamais de cet axe.

Mais la simulation de Gottlieb a montré quelque chose de très différent. Lorsque l’étoile s’effondre dans un trou noir, la matière de cette étoile tombe sur le disque de gaz magnétisé qui tourbillonne autour du trou noir. Le matériau qui tombe fait basculer le disque qui, à son tour, fait basculer le jet. Alors que le jet a du mal à se réaligner sur sa trajectoire d’origine, il vacille à l’intérieur du collapsar.

Cette oscillation fournit une nouvelle explication de la raison pour laquelle les GRB clignotent. Pendant les moments calmes, le jet ne s’arrête pas – ses faisceaux d’émission s’éloignent de la Terre, de sorte que les télescopes ne peuvent tout simplement pas l’observer.

« Les émissions des GRB sont toujours irrégulières », a déclaré Gottlieb. « Nous voyons des pics d’émission, puis un temps de repos qui dure quelques secondes ou plus. La durée totale d’un GRB est d’environ une minute, donc ces temps de repos représentent une fraction non négligeable de la durée totale. Les modèles précédents n’étaient pas capable d’expliquer d’où venaient ces temps de repos. Cette oscillation donne naturellement une explication à ce phénomène. Nous observons le jet quand il pointe vers nous. Mais quand le jet vacille pour pointer loin de nous, nous ne pouvons pas voir son émission. C’est partie de la théorie de la relativité d’Einstein. »

Rare devient plus rare

Ces jets vacillants fournissent également de nouvelles informations sur le taux et la nature des GRB. Bien que des études antérieures aient estimé qu’environ 1% des collapsars produisent des GRB, Gottlieb pense que les GRB sont en réalité beaucoup plus rares.

Si le jet était contraint de se déplacer le long d’un axe, il ne couvrirait qu’une fine tranche de ciel, ce qui limiterait la probabilité de l’observer. Mais la nature bancale du jet signifie que les astrophysiciens peuvent observer les GRB à différentes orientations, augmentant ainsi la probabilité de les repérer. Selon les calculs de Gottlieb, les GRB sont 10 fois plus observables qu’on ne le pensait auparavant, ce qui signifie que les astrophysiciens manquent 10 fois moins de GRB qu’on ne le pensait auparavant.

« L’idée est que nous observons les GRB dans le ciel à un certain rythme, et nous voulons en savoir plus sur le véritable taux de GRB dans l’univers », a expliqué Gottlieb. « Les taux observés et réels sont différents parce que nous ne pouvons voir que les GRB qui pointent vers nous. Cela signifie que nous devons supposer quelque chose sur l’angle que ces jets couvrent dans le ciel, afin de déduire le véritable taux de GRB. Cela c’est-à-dire quelle fraction de GRB nous manque. L’oscillation augmente le nombre de GRB détectables, de sorte que la correction entre le taux observé et le taux réel est plus petite. Si nous manquons moins de GRB, alors il y a moins de GRB dans le ciel.

Si cela est vrai, postule Gottlieb, alors la plupart des jets échouent du tout à être lancés ou ne réussissent jamais à s’échapper du collapsar pour produire un GRB. Au lieu de cela, ils restent enterrés à l’intérieur.

Énergie mixte

Les nouvelles simulations ont également révélé qu’une partie de l’énergie magnétique dans les jets se convertit partiellement en énergie thermique. Cela suggère que le jet a une composition hybride d’énergies magnétiques et thermiques, qui produisent le GRB. Dans une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes qui alimentent les GRB, c’est la première fois que des chercheurs ont déduit la composition du jet des GRB au moment de l’émission.

« L’étude des jets nous permet de ‘voir’ ce qui se passe au plus profond de l’étoile lorsqu’elle s’effondre », a déclaré Gottlieb. « Sinon, il est difficile d’apprendre ce qui se passe dans une étoile effondrée car la lumière ne peut pas s’échapper de l’intérieur stellaire. Mais nous pouvons apprendre de l’émission du jet – l’histoire du jet et les informations qu’il transporte des systèmes qui les lancent. »

L’avancée majeure de la nouvelle simulation réside en partie dans sa puissance de calcul. En utilisant le code « H-AMR » sur les superordinateurs de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility à Oak Ridge, Tennessee, les chercheurs ont développé la nouvelle simulation, qui utilise des unités de traitement graphique (GPU) au lieu d’unités centrales de traitement (CPU). Extrêmement efficaces pour manipuler l’infographie et le traitement d’image, les GPU accélèrent la création d’images sur un écran.