De nouvelles simulations révèlent des neutrinos chauds piégés lors de collisions d'étoiles à neutrons
par Sam Sholtis, Université d'État de Pennsylvanie
Rendu volumique de la densité dans une simulation d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires. De nouvelles recherches montrent que les neutrinos créés dans l'interface chaude entre les étoiles en fusion peuvent être brièvement piégés et rester hors d'équilibre avec les noyaux froids des étoiles en fusion pendant 2 à 3 millisecondes. Crédit : David Radice, Penn State
Lorsque les étoiles s’effondrent, elles peuvent laisser derrière elles des restes incroyablement denses mais relativement petits et froids appelés étoiles à neutrons. Si deux étoiles s'effondrent à proximité, les étoiles à neutrons binaires restantes entrent en spirale et finissent par entrer en collision, et l'interface où les deux étoiles commencent à fusionner devient incroyablement chaude.
De nouvelles simulations de ces événements montrent que les neutrinos chauds (de minuscules particules essentiellement sans masse qui interagissent rarement avec d'autres matières) créés lors de la collision peuvent être brièvement piégés à ces interfaces et rester hors d'équilibre avec les noyaux froids des étoiles en fusion pendant 2 à 4 heures. 3 millisecondes. Pendant ce temps, les simulations montrent que les neutrinos peuvent interagir faiblement avec la matière des étoiles, contribuant ainsi à ramener les particules vers l’équilibre et ouvrant de nouvelles perspectives sur la physique de ces événements puissants.
Un article décrivant les simulations, rédigé par une équipe de recherche dirigée par des physiciens de Penn State, est paru dans la revue Physical Reviews Letters.
"Pour la première fois en 2017, nous avons observé ici sur Terre des signaux de toutes sortes, y compris des ondes gravitationnelles, provenant d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires", a déclaré Pedro Luis Espino, chercheur postdoctoral à Penn State et à l'Université de Californie à Berkeley. a dirigé la recherche.
"Cela a conduit à un énorme regain d'intérêt pour l'astrophysique des étoiles à neutrons binaires. Il n'existe aucun moyen de reproduire ces événements dans un laboratoire pour les étudier expérimentalement, donc la meilleure fenêtre dont nous disposons pour comprendre ce qui se passe lors d'une fusion d'étoiles à neutrons binaires passe par des simulations. basé sur les mathématiques issues de la théorie de la relativité générale d'Einstein.
Les étoiles à neutrons tirent leur nom du fait qu'on pense qu'elles sont presque entièrement composées de neutrons, des particules non chargées qui, avec les protons chargés positivement et les électrons chargés négativement, constituent les atomes. On pense que leur incroyable densité (seuls les trous noirs sont plus petits et plus denses) serre les protons et les électrons ensemble, les fusionnant en neutrons.
Une étoile à neutrons typique ne mesure que des dizaines de kilomètres de diamètre, mais a environ une fois et demie la masse de notre soleil, qui mesure environ 1,4 million de kilomètres de diamètre. Une cuillère à café de matière d’étoile à neutrons peut peser autant qu’une montagne, soit des dizaines ou des centaines de millions de tonnes.
"Les étoiles à neutrons avant la fusion sont effectivement froides, même si elles peuvent atteindre des milliards de degrés Kelvin, leur incroyable densité signifie que cette chaleur contribue très peu à l'énergie du système", a déclaré David Radice, professeur adjoint de physique et d'astronomie et d'astrophysique. au Eberly College of Science de Penn State et chef de l'équipe de recherche.
"Lorsqu'elles entrent en collision, elles peuvent devenir très chaudes, l'interface des étoiles en collision peut être chauffée jusqu'à des températures de plusieurs milliards de degrés Kelvin. Cependant, elles sont si denses que les photons ne peuvent pas s'échapper pour dissiper la chaleur. Au lieu de cela, nous pensons qu'elles sont si denses que les photons ne peuvent pas s'échapper pour dissiper la chaleur. se refroidir en émettant des neutrinos.
Selon les chercheurs, les neutrinos sont créés lors de la collision lorsque les neutrons des étoiles s'entrechoquent et sont détruits en protons, électrons et neutrinos. Ce qui se passe ensuite dans les premiers instants après une collision est une question ouverte en astrophysique.
"Les étoiles à neutrons avant la fusion sont effectivement froides, même si elles peuvent atteindre des milliards de degrés Kelvin, leur incroyable densité signifie que cette chaleur contribue très peu à l'énergie du système", a déclaré David Radice, professeur adjoint de physique et d'astronomie et d'astrophysique. au Eberly College of Science de Penn State et chef de l'équipe de recherche.
"Lorsqu'elles entrent en collision, elles peuvent devenir très chaudes, l'interface des étoiles en collision peut être chauffée jusqu'à des températures de plusieurs milliards de degrés Kelvin. Cependant, elles sont si denses que les photons ne peuvent pas s'échapper pour dissiper la chaleur. Au lieu de cela, nous pensons qu'elles sont si denses que les photons ne peuvent pas s'échapper pour dissiper la chaleur. se refroidir en émettant des neutrinos.
Selon les chercheurs, les neutrinos sont créés lors de la collision lorsque les neutrons des étoiles s'entrechoquent et sont détruits en protons, électrons et neutrinos. Ce qui se passe ensuite dans les premiers instants après une collision est une question ouverte en astrophysique.
Pour tenter de répondre à cette question, l’équipe de recherche a créé des simulations nécessitant d’énormes quantités de puissance de calcul qui modélisent la fusion d’étoiles à neutrons binaires et toute la physique associée. Les simulations ont montré pour la première fois que, même brièvement, même les neutrinos peuvent être piégés par la chaleur et la densité de la fusion. Les neutrinos chauds sont en déséquilibre avec les noyaux encore froids des étoiles et peuvent interagir avec la matière des étoiles.
"Ces événements extrêmes repoussent les limites de notre compréhension de la physique et leur étude nous permet d'apprendre de nouvelles choses", a déclaré Radice.
"La période pendant laquelle les étoiles qui fusionnent sont hors d'équilibre n'est que de 2 à 3 millisecondes, mais comme la température, le temps est ici relatif, la période orbitale des deux étoiles avant la fusion peut être aussi courte que 1 milliseconde. -La phase d'équilibre est celle où la physique la plus intéressante se produit. Une fois que le système revient à l'équilibre, la physique est mieux comprise.
Les chercheurs ont expliqué que les interactions physiques précises qui se produisent lors de la fusion peuvent avoir un impact sur les types de signaux pouvant être observés sur Terre lors de la fusion d'étoiles binaires.
"La façon dont les neutrinos interagissent avec la matière des étoiles et sont finalement émis peut avoir un impact sur les oscillations des restes fusionnés des deux étoiles, ce qui à son tour peut avoir un impact sur l'apparence des signaux électromagnétiques et des ondes gravitationnelles de la fusion lorsqu'ils nous parviennent ici. sur Terre", a déclaré Espino.
"Les détecteurs d'ondes gravitationnelles de nouvelle génération pourraient être conçus pour rechercher ce type de différences de signaux. De cette manière, ces simulations jouent un rôle crucial nous permettant d'avoir un aperçu de ces événements extrêmes tout en éclairant les expériences et observations futures dans une sorte de retour d'information. boucle."
Outre Espino et Radice, l'équipe de recherche comprend les chercheurs postdoctoraux Peter Hammond et Rossella Gamba de Penn State ; Sebastiano Bernuzzi, Francesco Zappa et Luís Felipe Longo Micchi à la Friedrich-Schiller-Universität Jena en Allemagne ; et Albino Perego à l'Università di Trento en Italie.
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COMMENTAIRES
1/Que se passe-t-il lorsque des étoiles à neutrons entrent en collision ?Réponse:
Lorsque deux étoiles à neutrons tombent sur une orbite mutuelle, elles tournent progressivement vers l’intérieur en raison du rayonnement gravitationnel. Lorsqu'ils se rencontrent finalement, leur fusion conduit à la formation soit d'une étoile à neutrons plus massive, soit, si la masse du reste dépasse la limite Tolman-Oppenheimer-Volkoff, d'un trou noi
2/Pourquoi les étoiles à neutrons devraient-elles être chaudes ?
Le DOE explique... les étoiles à neutrons | Ministère de l'Énergie
Les étoiles à neutrons tirent leur nom du fait que leur noyau a une gravité si puissante que la plupart des protons chargés positivement et des électrons chargés négativement à l'intérieur de ces étoiles se combinent en neutrons non chargés. Les étoiles à neutrons ne produisent aucune nouvelle chaleur. Cependant, elles sont incroyablement chauds lorsqu’elles e forment et refroidissent lentement.
3/ Prenaons de la distance avec l article universitaire ;il s agit de simulations et de calculs . Expérimentalement les étoiles a neutrons sont invisibles en optique conventionnelles et n apparaissent qu a l occasqion d avatars ,collisions etc ...
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More information: Pedro Luis Espino et al, Neutrino Trapping and Out-of-Equilibrium Effects in Binary Neutron-Star Merger Remnants, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.211001. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2311.00031
Journal information: Physical Review Letters , arXiv
Provided by Pennsylvania State University
