Les premières simulations 3D au monde révèlent la physique des supernovae exotiques

Après des années de recherche dévouée et plus de 5 millions d’heures de calcul sur superordinateur, une équipe a créé les premières simulations hydrodynamiques de rayonnement 3D haute résolution au monde pour les supernovae exotiques. Ce travail est signalé dans Le journal d’astrophysique.

Ke-Jung Chen de l’Institut d’astronomie et d’astrophysique Academia Sinica (ASIAA) à Taiwan, a dirigé une équipe internationale et a utilisé les puissants superordinateurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley et de l’Observatoire astronomique national du Japon pour réaliser cette percée.

Les explosions de supernova sont la fin la plus spectaculaire pour les étoiles massives, car elles terminent leur cycle de vie de manière autodestructrice, libérant instantanément une luminosité équivalente à des milliards de soleils, illuminant l’univers entier.

Lors de cette explosion, des éléments lourds formés au sein de l’étoile sont également éjectés, jetant les bases de la naissance de nouvelles étoiles et planètes et jouant un rôle crucial dans l’origine de la vie.

Les supernovae représentent un intérêt majeur pour l’astrophysique moderne, englobant de nombreuses questions astronomiques et physiques importantes en théorie et en observation, et revêtent une valeur de recherche significative.

Au cours du dernier demi-siècle, la recherche a permis de parvenir à une compréhension relativement complète des supernovae. Cependant, les dernières observations à grande échelle des supernovas révèlent de nombreuses explosions stellaires inhabituelles (supernovae exotiques) qui remettent en question et renversent la compréhension précédemment établie de la physique des supernovas.

Parmi les supernovae exotiques, les supernovae superlumineuses et les supernovae éternellement lumineuses sont les plus déroutantes. La luminosité des supernovae superlumineuses est environ 100 fois supérieure à celle des supernovae ordinaires, qui ne conservent généralement leur luminosité que de quelques semaines à quelques mois.

En revanche, les supernovae éternellement lumineuses peuvent conserver leur luminosité pendant plusieurs années, voire plus. Plus étonnant encore, quelques supernovae exotiques présentent des variations de luminosité irrégulières et intermittentes, ressemblant à des éruptions semblables à des fontaines. Ces supernovae particulières pourraient détenir la clé pour comprendre l’évolution des étoiles les plus massives de l’univers.

Les origines de ces supernovae exotiques ne sont pas encore entièrement comprises, mais les astronomes pensent qu’elles pourraient provenir d’étoiles massives inhabituelles. Pour les étoiles dont la masse varie de 80 à 140 fois celle du Soleil, à l’approche de la fin de leur vie, leur noyau subit des réactions de fusion du carbone.

Au cours de ce processus, des photons de haute énergie peuvent créer des paires électron-positon, déclenchant des pulsations dans le noyau et conduisant à plusieurs contractions violentes. Ces contractions libèrent de grandes quantités d’énergie de fusion et déclenchent des explosions, entraînant de grandes éruptions dans les étoiles. Ces éruptions elles-mêmes peuvent être similaires aux explosions régulières de supernova. De plus, lorsque des matériaux issus de différentes périodes d’éruption entrent en collision, il est possible de produire des phénomènes similaires aux supernovae superlumineuses.

Actuellement, le nombre d’étoiles aussi massives dans l’univers est relativement rare, ce qui correspond à la rareté des supernovae particulières. Par conséquent, les scientifiques soupçonnent que les étoiles dont la masse varie de 80 à 140 fois celle du soleil sont très probablement les ancêtres de supernovae particulières. Cependant, les structures évolutives instables de ces étoiles rendent leur modélisation assez difficile, et les modèles actuels restent principalement confinés à des simulations unidimensionnelles.

Cependant, de sérieuses lacunes ont été constatées dans les modèles unidimensionnels précédents. Les explosions de supernova génèrent des turbulences importantes, et la turbulence joue un rôle crucial dans l’explosion et la luminosité des supernovae. Néanmoins, les modèles unidimensionnels sont incapables de simuler la turbulence à partir des premiers principes. Ces défis ont empêché une compréhension approfondie des mécanismes physiques à l’origine des supernovae exotiques dans l’astrophysique théorique actuelle.

Cette simulation haute résolution d’explosions de supernova présentait d’immenses défis. À mesure que l’échelle de la simulation augmentait, le maintien d’une haute résolution devenait de plus en plus difficile, augmentant considérablement la complexité et les exigences de calcul, tout en nécessitant également la prise en compte de nombreux processus physiques.

Ke-Jung Chen a souligné que le code de simulation de leur équipe présentait des avantages par rapport aux autres groupes concurrents en Europe et en Amérique. Les simulations pertinentes précédentes étaient principalement limitées à des modèles de fluides unidimensionnels et à quelques modèles de fluides bidimensionnels, alors que dans les supernovae exotiques, les effets multidimensionnels et le rayonnement jouent un rôle crucial, influençant les émissions de lumière et la dynamique globale de l’explosion.

Les simulations hydrodynamiques des rayonnements prennent en compte la propagation du rayonnement et ses interactions avec la matière. Ce processus complexe de transport des rayonnements rend les calculs extrêmement difficiles, avec des exigences et des difficultés de calcul bien supérieures à celles des simulations fluides.

Cependant, grâce à la riche expérience de l’équipe dans la modélisation des explosions de supernova et dans l’exécution de simulations à grande échelle ; ils ont finalement réussi à créer les premières simulations hydrodynamiques de rayonnement tridimensionnelles au monde de supernovae exotiques.

Les résultats de l’équipe de recherche indiquent que le phénomène d’éruptions intermittentes dans les étoiles massives peut présenter des caractéristiques similaires à celles des supernovae à intensité multiple. Lorsque des matériaux issus de différentes périodes d’éruption entrent en collision, environ 20 à 30 % de l’énergie cinétique du gaz peut être convertie en rayonnement, ce qui explique le phénomène de supernovae superlumineuse.

De plus, l’effet de refroidissement par rayonnement amène le gaz en éruption à former une structure en feuille tridimensionnelle dense mais inégale, et cette couche de la feuille devient la principale source d’émission de lumière dans la supernova. Les résultats de leurs simulations expliquent efficacement les caractéristiques d’observation des supernovae exotiques mentionnées ci-dessus.

Grâce aux simulations de pointe sur superordinateurs, cette étude fait des progrès significatifs dans la compréhension de la physique des supernovae exotiques. Avec le lancement des projets d’étude des supernovas de nouvelle génération, les astronomes détecteront des supernovae plus exotiques, ce qui permettra de mieux comprendre les dernières étapes des étoiles massives habituelles et leurs mécanismes d’explosion.