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Astrophysicists discover the perfect explosion in space

Des astrophysiciens découvrent l'explosion parfaite dans l'espace

par l'Université de Copenhague

Illustration d'une explosion sphérique. Crédit : Albert Sneppen

Lorsque les étoiles à neutrons entrent en collision, elles produisent une explosion qui, contrairement à ce que l'on croyait jusqu'à récemment, a la forme d'une sphère parfaite. Bien que la façon dont cela est possible reste un mystère, la découverte pourrait fournir une nouvelle clé de la physique fondamentale et de la mesure de l'âge de l'univers. La découverte a été faite par des astrophysiciens de l'Université de Copenhague et vient d'être publiée dans la revue Nature.

Les kilonovae - les explosions géantes qui se produisent lorsque deux étoiles à neutrons orbitent l'une autour de l'autre et finissent par entrer en collision - sont responsables de la création de grandes et de petites choses dans l'univers, des trous noirs aux atomes de l'anneau d'or sur votre doigt et l'iode dans notre corps . Ils donnent lieu aux conditions physiques les plus extrêmes de l'univers, et c'est dans ces conditions extrêmes que l'univers crée les éléments les plus lourds du tableau périodique, tels que l'or, le platine et l'uranium.

Mais il y a encore beaucoup de choses que nous ignorons sur ce phénomène violent. Lorsqu'une kilonova a été détectée à 140 millions d'années-lumière en 2017, c'était la première fois que les scientifiques pouvaient recueillir des données détaillées. Les scientifiques du monde entier interprètent encore les données de cette explosion colossale, notamment Albert Sneppen et Darach Watson de l'Université de Copenhague, qui ont fait une découverte surprenante.

Leurs analyses ont été effectuées sur les données du kilonova AT2017gfo de 2017. Ces données sont la lumière ultraviolette, optique et infrarouge du spectrographe X-shooter du Very Large Telescope de l'Observatoire européen austral, combinées à des analyses antérieures des ondes gravitationnelles. , les ondes radio et les données du télescope spatial Hubble.

"Vous avez deux étoiles super-compactes qui tournent l'une autour de l'autre 100 fois par seconde avant de s'effondrer. Notre intuition, et tous les modèles précédents, disent que le nuage d'explosion créé par la collision doit avoir une forme aplatie et plutôt asymétrique", explique Albert Sneppen, doctorat étudiant à l'Institut Niels Bohr et premier auteur de l'étude publiée dans la revue Nature.

C'est pourquoi lui et ses collègues chercheurs sont surpris de constater que ce n'est pas du tout le cas pour la kilonova de 2017. Elle est complètement symétrique et a une forme proche d'une sphère parfaite.

Personne ne s'attendait à ce que l'explosion ressemble à ça. Cela n'a aucun sens qu'il soit sphérique, comme une balle. Mais nos calculs montrent clairement que c'est le cas. Cela signifie probablement que les théories et les simulations de kilonovae que nous avons envisagées au cours des 25 dernières années manquent d'une explication physique importante », explique Darach Watson, professeur agrégé à l'Institut Niels Bohr et deuxième auteur de l'étude.

La forme sphérique est un mystère

Mais comment le kilonova peut être sphérique est un vrai mystère. Selon les chercheurs, il doit y avoir une physique inattendue en jeu :

"La façon la plus probable de rendre l'explosion sphérique est si une énorme quantité d'énergie souffle du centre de l'explosion et lisse une forme qui serait autrement asymétrique. Ainsi, la forme sphérique nous dit qu'il y a probablement beaucoup d'énergie au cœur de la collision, ce qui était imprévu », explique Albert Sneppen.

Lorsque les étoiles à neutrons entrent en collision, elles sont brièvement unies en une seule étoile à neutrons hypermassive, qui s'effondre ensuite en un trou noir. Les chercheurs se demandent si c'est dans cet effondrement qu'une grande partie du secret est cachée :

"Peut-être qu'une sorte de 'bombe magnétique' est créée au moment où l'énergie de l'énorme champ magnétique de l'étoile à neutrons hypermassifs est libérée lorsque l'étoile s'effondre dans un trou noir. La libération d'énergie magnétique pourrait faire en sorte que la matière de l'explosion soit distribué plus sphériquement. Dans ce cas, la naissance du trou noir peut être très énergétique », explique Darach Watson.

Cependant, cette théorie n'explique pas un autre aspect de la découverte des chercheurs. Selon les modèles précédents, alors que tous les éléments produits sont plus lourds que le fer, les éléments extrêmement lourds, tels que l'or ou l'uranium, devraient être créés à des endroits différents dans la kilonova que les éléments plus légers tels que le strontium ou le krypton, et ils devraient être expulsés dans différentes directions. Les chercheurs, en revanche, ne détectent que les éléments les plus légers, et ils sont répartis uniformément dans l'espace.

Ils pensent donc que les énigmatiques particules élémentaires, les neutrinos, dont on ignore encore beaucoup, jouent également un rôle clé dans le phénomène.

"Une idée alternative est que dans les millisecondes que vit l'étoile à neutrons hypermassive, elle émet très puissamment, y compris éventuellement un grand nombre de neutrinos. Les neutrinos peuvent provoquer la conversion des neutrons en protons et en électrons, et ainsi créer des éléments plus légers dans l'ensemble. Cette idée présente également des lacunes, mais nous pensons que les neutrinos jouent un rôle encore plus important que nous ne le pensions », déclare Albert Sneppen.

Un nouveau souverain cosmique

La forme de l'explosion est également intéressante pour une toute autre raison :

"Parmi les astrophysiciens, il y a beaucoup de discussions sur la vitesse d'expansion de l'univers. La vitesse nous indique, entre autres, l'âge de l'univers. Et les deux méthodes qui existent pour le mesurer sont en désaccord d'environ un milliard d'années. Ici nous pouvons avoir une troisième méthode qui peut compléter et être testée par rapport aux autres mesures », explique Albert Sneppen.

La soi-disant "échelle de distance cosmique" est la méthode utilisée aujourd'hui pour mesurer la vitesse de croissance de l'univers. Cela se fait simplement en calculant la distance entre différents objets dans l'univers, qui agissent comme des échelons sur l'échelle.

"S'ils sont brillants et pour la plupart sphériques, et si nous savons à quelle distance ils se trouvent, nous pouvons utiliser les kilonovae comme une nouvelle façon de mesurer la distance de manière indépendante - un nouveau type de règle cosmique", déclare Darach Watson et poursuit :

"Savoir quelle est la forme est crucial ici, car si vous avez un objet qui n'est pas sphérique, il émet différemment, selon votre angle de vue. Une explosion sphérique offre une bien plus grande précision dans la mesure."

Il souligne que cela nécessite des données provenant de plus de kilonovae. Ils s'attendent à ce que les observatoires LIGO détectent beaucoup plus de kilonovae dans les années à venir.

À propos des kilonovae

Les étoiles à neutrons sont des étoiles extrêmement compactes constituées principalement de neutrons. Ils ne mesurent généralement qu'environ 20 kilomètres de diamètre, mais peuvent peser une fois et demie à deux fois plus que le Soleil. Une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèserait à peu près autant que le mont Everest.

Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision, le phénomène de kilonova se produit. C'est le nom de la gigantesque explosion que crée la fusion. Il s'agit d'une boule de feu radioactive qui se dilate à une vitesse énorme et se compose principalement d'éléments lourds formés lors de la fusion et de ses conséquences - à la fois les éléments les plus légers et les plus lourds - qui sont éjectés dans l'espace.

Le phénomène a été prédit en 1974 et clairement observé et identifié pour la première fois en 2013. En 2017, des données détaillées d'une kilonova ont été obtenues pour la première fois, lorsque les détecteurs LIGO (aux États-Unis) et Virgo (en Europe) ont réussi de façon sensationnelle à mesurer la gravitation ondes du kilonova AT2017gfo, qui se trouvait dans une galaxie à 140 millions d'années-lumière.

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COMMENTAIRE

Ces résultats sont issus de calculs effzectués sur un ensemble de données experimentales  de divers types  .Les étoiles a neutrons  ne sont pas optiqiement visibles  mais detectables par  d aitres signaux   au moment de leur formation  ....Elles n 'apparaissent a nouveau  que lors de la kilonova  avant d'évoluer en trou noir  .... Il reste à mon avis a attendre la prochane kilonova  pour etre sur de ce phénomèn de sphéricité  fugace temoraire  .....

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More information: Albert Sneppen, Spherical symmetry in the kilonova AT2017gfo/GW170817, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05616-x. www.nature.com/articles/s41586-022-05616-x

Journal information: Nature 

Provided by University of Copenhage