C'est l'un des événements les plus intenses et violents de l'espace - une supernova. Grâce à l'utilisation de simulations informatiques sophistiquées, ils ont pu créer des modèles tridimensionnels qui montrent les effets physiques - des mouvements intenses et violents qui se produisent lorsque la matière stellaire est attirée vers l'intérieur. C'est un regard nouveau et audacieux sur la dynamique qui se produit lorsqu'une étoile explose.
Comme nous le savons, les étoiles qui ont huit à dix fois la masse du Soleil sont destinées à finir leur vie dans une explosion massive, les gaz soufflés dans l'espace avec une force incroyable. Ces événements cataclysmiques sont parmi les événements les plus brillants et les plus puissants de l'Univers et peuvent éclipser une galaxie lorsqu'ils se produisent. C'est ce processus même qui crée les éléments essentiels à la vie telle que nous la connaissons - et les débuts des étoiles à neutrons.
Les étoiles à neutrons sont une énigme pour elles-mêmes. Ces restes stellaires très compacts contiennent jusqu'à 1,5 fois la masse du Soleil, mais sont compressés à la taille d'une ville. Ce n'est pas une compression lente. Cette compression se produit lorsque le noyau stellaire implose sous la gravité intense de sa propre masse… et cela ne prend qu'une fraction de seconde. Quelque chose peut-il l'arrêter? Oui. Il a une limite. L'effondrement cesse lorsque la densité des noyaux atomiques est dépassée. C'est comparable à environ 300 millions de tonnes compressées en quelque chose de la taille d'un morceau de sucre.
L'étude des étoiles à neutrons ouvre une toute nouvelle dimension de questions auxquelles les scientifiques souhaitent répondre. Ils veulent savoir ce qui cause la perturbation stellaire et comment l'implosion du noyau stellaire peut-elle redevenir une explosion. À l'heure actuelle, ils théorisent que les neutrinos peuvent être un facteur critique. Ces minuscules particules élémentaires sont créées et expulsées en nombre monumental au cours du processus de supernova et peuvent très bien agir comme éléments chauffants qui déclenchent l'explosion. Selon l'équipe de recherche, les neutrinos pourraient transmettre de l'énergie au gaz stellaire, provoquant une augmentation de la pression. De là, une onde de choc est créée et à mesure qu'elle s'accélère, elle pourrait perturber l'étoile et provoquer une supernova.
Aussi plausible que cela puisse paraître, les astronomes ne sont pas sûrs que cette théorie puisse fonctionner ou non. Parce que les processus d'une supernova ne peuvent pas être recréés dans des conditions de laboratoire et que nous ne sommes pas en mesure de voir directement à l'intérieur d'une supernovae, nous devrons simplement compter sur des simulations informatiques. À l'heure actuelle, les chercheurs sont capables de recréer un événement de supernova avec des équations mathématiques complexes qui reproduisent les mouvements du gaz stellaire et les propriétés physiques qui se produisent au moment critique de l'effondrement du noyau. Ces types de calculs nécessitent l'utilisation de certains des supercalculateurs les plus puissants du monde, mais il a également été possible d'utiliser des modèles plus simplifiés pour obtenir les mêmes résultats. "Si, par exemple, les effets cruciaux des neutrinos étaient inclus dans un traitement détaillé, les simulations informatiques ne pourraient être effectuées qu'en deux dimensions, ce qui signifie que l'étoile dans les modèles était supposée avoir une symétrie de rotation artificielle autour d'un axe." dit l'équipe de recherche.
Avec le soutien du Rechenzentrum Garching (RZG), les scientifiques ont pu créer un programme informatique particulièrement efficace et rapide. Ils ont également eu accès aux supercalculateurs les plus puissants et à un prix en temps d'ordinateur de près de 150 millions d'heures de processeur, ce qui est le plus important contingent accordé jusqu'à présent par l'initiative «Partenariat pour l'informatique avancée en Europe (PRACE)» de l'Union européenne, le L'équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck d'astrophysique (MPA) à Garching pourrait désormais pour la première fois simuler les processus dans les étoiles qui s'effondrent en trois dimensions et avec une description sophistiquée de toute la physique pertinente.
«À cette fin, nous avons utilisé près de 16 000 cœurs de processeur en mode parallèle, mais une seule exécution de modèle a pris environ 4,5 mois de calcul continu», explique Florian Hanke, doctorant, qui a effectué les simulations. Seuls deux centres de calcul en Europe ont pu fournir des machines suffisamment puissantes pour de si longues périodes, à savoir CURIE au Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA près de Paris et SuperMUC au Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) à Munich / Garching.
Compte tenu de plusieurs milliers de milliards d'octets de données de simulation, il a fallu un certain temps avant que les chercheurs ne comprennent pleinement les implications de leurs exécutions de modèles. Cependant, ce qu'ils ont vu les a ravis et les a surpris. Le gaz stellaire a fonctionné de manière très similaire à la convection ordinaire, les neutrinos entraînant le processus de chauffage. Et ce n'est pas tout ... Ils ont également trouvé de forts mouvements de ballottement qui se transforment temporairement en mouvements de rotation. Ce comportement a déjà été observé et nommé Instabilité de choc à accrétion permanente. Selon le communiqué de presse, «Ce terme exprime le fait que la sphéricité initiale de l'onde de choc de la supernova est spontanément brisée, car le choc développe une asymétrie pulsatoire de grande amplitude par la croissance oscillatoire de perturbations de graines initialement petites et aléatoires. Jusqu'à présent, cependant, cela n'avait été trouvé que dans des simulations de modèles simplifiées et incomplètes. »
«Mon collègue Thierry Foglizzo au Service d’astrophysique des CEA-Saclay près de Paris a acquis une compréhension fine des conditions de croissance de cette instabilité», explique Hans-Thomas Janka, responsable de l’équipe de recherche. "Il a construit une expérience, dans laquelle un saut hydraulique dans un écoulement d'eau circulaire présente des asymétries pulsatoires en étroite analogie avec le front de choc dans la matière qui s'effondre du noyau de la supernova." Connu sous le nom d'analogue en eau peu profonde de l'instabilité des chocs, le processus dynamique peut être démontré de manières moins techniques en éliminant les effets importants du chauffage des neutrinos - une raison qui fait que de nombreux astrophysiciens doutent que les étoiles qui s'effondrent puissent passer par ce type d'instabilité. Cependant, les nouveaux modèles informatiques sont en mesure de démontrer que l'instabilité du choc d'accrétion permanente est un facteur critique.
«Il régit non seulement les mouvements de masse dans le noyau de la supernova, mais il impose également des signatures caractéristiques sur l'émission de neutrinos et d'ondes gravitationnelles, qui seront mesurables pour une future supernova galactique. De plus, cela peut conduire à de fortes asymétries de l'explosion stellaire, au cours desquelles l'étoile à neutrons nouvellement formée recevra un gros coup de pied et une rotation », décrit le membre de l'équipe Bernhard Müller les conséquences les plus importantes de ces processus dynamiques dans le noyau de supernova.
Avons-nous fini avec la recherche sur la supernova? Comprenons-nous tout ce qu'il y a à savoir sur les étoiles à neutrons? Pas à peine. À l'heure actuelle, le scientifique est prêt à poursuivre ses recherches sur les effets mesurables liés à SASI et à affiner ses prévisions des signaux associés. À l'avenir, ils approfondiront leur compréhension en effectuant des simulations de plus en plus longues pour révéler comment l'instabilité et le chauffage des neutrinos réagissent ensemble. Peut-être qu'un jour, ils pourront montrer que cette relation est le déclencheur qui déclenche une explosion de supernovae et conçoit une étoile à neutrons.
Source de l'histoire originale: Max Planck Institute for Astrophysics News Release.
