Les simulations de supernova 3D révèlent pourquoi elles explosent
La matière turbulente tourbillonne autour du centre de l'étoile qui s'effondre. La turbulence donne une impulsion supplémentaire à l'onde de choc de la supernova (bleue), après quoi le noyau dense de l'étoile situé au centre forme une étoile à neutrons
En 1987, une étoile géante a explosé près de notre galaxie de la Voie lactée. C'était la supernova la plus brillante et la plus proche depuis l'invention du télescope (il y a près de 400 ans), et presque tous les observatoires se sont tournés dans cette direction pour regarder de plus près l'événement. Le résultat le plus intéressant de l'observation était que des observatoires spéciaux situés profondément sous terre étaient capables de détecter des particules subatomiques timides, des neutrinos, dont le flux se précipitait depuis le centre de l'explosion.
La première suggestion que ces particules sont la force motrice des explosions de supernova a été faite en 1966. Trouver ces particules est devenu une source de réconfort pour les théoriciens qui tentent de comprendre le fonctionnement des explosions. Cependant, dans les décennies qui ont suivi, les astrophysiciens sont constamment tombés sur un manque apparemment fatal de modèles basés sur les neutrinos.
Les neutrinos sont connus pour être indifférents, et la manière exacte dont les neutrinos transfèrent l'énergie à la matière stellaire ordinaire dans des conditions extrêmes d'implosion n'est pas claire. Dans les simulations du mouvement et de l'interaction des particules sur un ordinateur, les théoriciens ont toujours travaillé pour que l'onde de souffle de la supernova s'arrête et retombe sur l'étoile. En raison de tous ces échecs, "l'idée est enracinée que notre théorie principale des explosions de supernova ne fonctionne pas", a déclaré Sean Couch , astrophysicien en informatique à la Michigan State University.
Bien sûr, les processus spécifiques qui se déroulent dans les profondeurs de la supernova lors de l'explosion sont toujours restés un mystère. C'est un chaudron de conditions extrêmes, une soupe turbulente de matière transformante. Les particules et les forces que nous ignorons habituellement dans notre vie quotidienne deviennent critiques. Pour aggraver les choses, l'intérieur de l'explosion est largement caché à la vue par des nuages de gaz chauds. Comprendre les détails du fonctionnement des supernovae «a été un problème central non résolu pour l'astrophysique», a déclaré Adam Burroughs , astrophysicien à l'Université de Princeton qui a étudié les supernovae pendant plus de 35 ans.
Cependant, ces dernières années, les théoriciens ont pu acquérir une compréhension plus approfondie des processus étonnamment complexes des supernovae. Les simulations explosives sont devenues la norme, pas l'exception, car a écrit Burroughs dans la revue Nature en janvier 2021. Les programmes informatiques des équipes de recherche rivales s'accordent sur la façon dont les ondes de choc évoluent dans une explosion de supernova. Les simulations sont allées jusqu'à inclure même des détails sur la théorie générale extrêmement complexe de la relativité d'Einstein. Le rôle des neutrinos commence enfin à être compris.
«C'est un moment décisif», a déclaré Couch. Les physiciens ont découvert que sans turbulence, les étoiles qui s'effondrent ne pourraient pas du tout former de supernovae.
Danse du chaos
Pendant la majeure partie de la vie d'une étoile, l'attraction gravitationnelle agissant vers le centre est en équilibre instable avec la pression extérieure du rayonnement des réactions nucléaires se produisant dans le noyau de l'étoile. Lorsqu'une étoile manque de carburant, la gravité l'emporte. L'étoile s'effondre à une vitesse de 150000 km / h, ce qui élève brusquement la température à 100 milliards de ° C et fait fondre le noyau de l'étoile, la transformant en une boule solide de neutrons.
Les couches externes de l'étoile continuent de tomber vers l'intérieur, cependant, lorsqu'elles entrent en collision avec ce noyau de neutrons incompressible, elles rebondissent dessus, créant une onde de choc. Pour qu'une onde de choc devienne une explosion, elle doit être accélérée vers l'extérieur avec suffisamment d'énergie pour surmonter l'attraction gravitationnelle de l'étoile. Aussi, l'onde de choc doit lutter contre la chute des couches externes de l'étoile vers l'intérieur, sur le noyau.
Jusqu'à récemment, on en savait peu sur les forces motrices de l'onde de souffle. Pendant des décennies, les ordinateurs n'étaient pas assez puissants pour fonctionner uniquement avec des modèles simplifiés d'un noyau qui s'effondrait. Les étoiles étaient considérées comme des sphères idéales et l'onde de choc se propageait à partir du centre symétriquement dans toutes les directions. Mais dans ces modèles unidimensionnels, les ondes de souffle ralentissent au fur et à mesure qu'elles se déplacent, après quoi elles s'atténuent.
Ce n'est qu'au cours des dernières années, avec l'augmentation de la puissance des supercalculateurs, que les théoriciens ont eu suffisamment de puissance informatique pour construire des modèles suffisamment complexes d'étoiles massives capables de produire des explosions. Les meilleurs modèles à ce jour prennent en compte les interactions entre les neutrinos et la matière, le mouvement désordonné des fluides et les progrès récents de la science, de la physique nucléaire à l'évolution stellaire. De plus, les théoriciens peuvent exécuter plusieurs simulations par an , modifier les paramètres du modèle et faire l'expérience de différentes conditions initiales.
L'un des tournants s'est produit en 2015 lorsque Couch et ses collègues ont lancé un modèle informatique 3D des dernières minutes.effondrement d'une étoile massive. Bien que la simulation ne couvre que 160 secondes de la vie de l'étoile, elle a clairement révélé le rôle d'une force sous-estimée pour aider à transformer les ondes de souffle décélérantes en explosions à part entière.
Dans le ventre du monstre, les particules tournaient et se précipitaient de manière chaotique. «C'est comme de l'eau bouillante dans une casserole. Un liquide tourne dans une étoile, se déplaçant à une vitesse de milliers de kilomètres par seconde », a déclaré Couch.
La turbulence crée une pression supplémentaire dans l'onde de souffle, l'éloignant du centre de l'étoile. Et plus le centre est éloigné, plus l'attraction gravitationnelle est faible, et moins souvent la densité de la matière tombant vers le centre, capable de pacifier l'onde de souffle. De plus, la matière turbulente se déplaçant sous le couvert d'une onde de choc a plus de temps pour absorber les neutrinos. Ensuite, cette énergie du neutrino réchauffe la matière et accélère l'onde de souffle jusqu'à l'explosion de l'étoile.
Les chercheurs ont sous-estimé l'importance de la turbulence pendant de nombreuses années, car elle ne se manifeste pleinement que dans les simulations 3D. «Il nous a fallu des décennies de travail pour faire ce que la nature peut faire sans difficulté. Nous sommes progressivement passés d'une dimension à deux, puis à trois », a déclaré Burroughs.
Dans la première demi-seconde après l'effondrement du noyau de l'étoile, une matière tourbillonnante l'entoure. Dans cette simulation, les couleurs de la matière sont attribuées en fonction de l'entropie, de la mesure du désordre [ou plutôt de la mesure des informations sur le système / env. per.] (plus le rouge est proche, plus l'entropie est grande). En raison de la turbulence, l'explosion est asymétrique.
Il est également devenu clair à partir de simulations que la turbulence conduit à des explosions asymétriques, dans lesquelles l'étoile est un peu comme un sablier. L'explosion crée une pression dans un sens et la matière continue de tomber sur le noyau de l'étoile dans l'autre, alimentant davantage l'explosion.
Les nouvelles simulations permettent aux chercheurs de mieux comprendre comment les supernovae ont façonné l'univers aujourd'hui. «Nous pouvons obtenir la bonne gamme d'énergies explosives et les masses d'étoiles à neutrons laissées pour compte», a déclaré Burroughs. Les supernovae sont principalement responsables d'alimenter le budget des éléments lourds de l'univers comme l'oxygène et le fer, et les théoriciens commencent à utiliser des simulations qui prédisent des proportions spécifiques d'éléments lourds dans l'espace. «Nous commençons à nous attaquer à des problèmes qui n'auraient jamais été imaginés être résolus dans le passé», a déclaré Tuguldur Sukhbold , astrophysicien théoricien en informatique à l'Ohio State University.
Prochaine explosion
Malgré la croissance exponentielle de la puissance de calcul, les simulations de supernova sont effectuées beaucoup moins fréquemment que leurs observations. «Il y a 20 ans, nous trouvions environ 100 supernovae chaque année», a déclaré Ido Berger , astronome à l'Université Harvard. "Aujourd'hui, nous ouvrons de 10 000 à 20 000 unités par an." L'augmentation du nombre d'observations est due aux nouveaux télescopes qui surveillent rapidement et régulièrement le ciel nocturne. Les théoriciens réalisent environ 30 simulations informatiques par an. Une simulation, qui recrée à quelques minutes du processus d'effondrement nucléaire, prend plusieurs mois. "Vous vérifiez tous les jours et il n'y a qu'une milliseconde", a déclaré Couch. "C'est comme regarder la mélasse couler dans le froid."
La précision des nouvelles simulations fait que les astrophysiciens attendent avec impatience la prochaine explosion, qui serait proche de nous. «En attendant la prochaine supernova dans notre galaxie, nous avons encore beaucoup à faire. Nous devons améliorer les modèles théoriques pour comprendre quelles caractéristiques du processus nous pourrions détecter », a déclaré Irene Tamborra , astrophysicienne théorique à l'Université de Copenhague. "L'opportunité ne doit pas être manquée, car c'est un événement si rare."
La plupart des supernovae sont enflammées trop loin de la Terre pour que les observatoires au sol puissent détecter leurs neutrinos. Les supernovae dans le voisinage immédiat de la Voie lactée - comme SN 1987A - se produisent en moyenne environ une fois tous les demi-siècle....
Mais si une supernova se produit, les astronomes peuvent "regarder directement dans le centre de l'explosion", a déclaré Berger. Cela sera possible grâce à l'observation des ondes gravitationnelles. «Différents groupes considèrent que les différents processus qui ont lieu pendant l'explosion sont importants. Et pour tous ces processus, les ondes gravitationnelles et les flux de neutrinos semblent différents ».
Et si les théoriciens d'aujourd'hui se sont pratiquement mis d'accord sur les facteurs les plus importants sous-jacents aux supernovae, des difficultés subsistent. En particulier, le résultat de l'explosion "dépend fortement" de la structure du noyau de l'étoile avant l'explosion elle-même, a déclaré Sukhbold. De petites différences augmentent, conduisant à des résultats différents de l'effondrement chaotique. Par conséquent, l'évolution de l'étoile, qui a précédé l'effondrement, doit également être soigneusement modélisée....
D'autres questions incluent le rôle des champs magnétiques puissants dans le noyau rotatif d'une étoile. «Il est possible qu'il y ait un mécanisme hybride de champs magnétiques et de neutrinos à l'œuvre», a déclaré Burroughs. On ne sait pas non plus comment exactement les neutrinos changent de type - «tri» - de l'un à l'autre, et comment cela affecte l'explosion.
«Il y a encore de nombreux ingrédients à ajouter aux simulations», a déclaré Tamborra. - Si une supernova explose demain et que cela coïncide avec nos prédictions théoriques, alors tous les autres ingrédients qui nous manquent aujourd'hui peuvent être ignorés. Mais si cela ne se produit pas, nous devrons comprendre pourquoi. "