Lorsqu’un jet s’échappe d’une étoile effondrée, il pénètre dans un cocon de débris stellaires. Source : Ore Gottlieb/CIERA/Northwestern University
Jusqu’à présent, les ondes gravitationnelles n’ont été détectées par les astrophysiciens qu’à partir de systèmes binaires – la fusion de deux trous noirs, de deux étoiles à neutrons ou de l’un de ces deux types d’étoiles. En théorie, il devrait être possible de détecter des ondes gravitationnelles émanant d’une source solitaire, non binaire, mais ces signaux insaisissables n’ont pas encore été découverts.
Des chercheurs de l’université Northwestern proposent aujourd’hui de rechercher ces signaux insaisissables dans une zone nouvelle, inattendue et entièrement inexplorée : Les cocons turbulents et énergétiques de débris qui entourent les étoiles massives mourantes.
Pour la première fois, les chercheurs ont utilisé des simulations de pointe pour montrer que ces cocons peuvent émettre des ondes gravitationnelles. Et, contrairement aux jets des sursauts gamma, les ondes gravitationnelles des cocons devraient se situer dans la bande de fréquence que l’Observatoire d’ondes gravitationnelles de l’interféromètre laser (LIGO) peut détecter.
« À ce jour, LIGO n’a détecté que des ondes gravitationnelles provenant de systèmes binaires, mais un jour, il détectera la première source non binaire d’ondes gravitationnelles », a déclaré Ore Gottlieb, de Northwestern, qui a dirigé l’étude. « Les cocons sont l’un des premiers endroits où nous devrions chercher ce type de source ».
Gottlieb a récemment présenté ses recherches lors d’une conférence de presse virtuelle organisée dans le cadre de la 242e réunion de la Société américaine d’astronomie.
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La nouvelle source était « impossible à ignorer
Pour réaliser cette étude, M. Gottlieb et ses collaborateurs ont utilisé de nouvelles simulations de pointe pour modéliser l’effondrement d’une étoile massive. Lorsque des étoiles massives s’effondrent en trous noirs, elles peuvent créer de puissants flux (ou jets) de particules voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière. Les simulations de M. Gottlieb ont modélisé ce processus, depuis l’effondrement de l’étoile en trou noir jusqu’à l’échappement du jet.
Au départ, il voulait voir si le disque d’accrétion qui se forme autour d’un trou noir pouvait ou non émettre des ondes gravitationnelles détectables. Mais quelque chose d’inattendu continuait à émerger de ses données.
L’évolution du jet-cocoon depuis sa naissance par le trou noir jusqu’à sa sortie de l’étoile (la carte des couleurs est le logarithme de l’amplitude de la déformation hors axe et le son reflète la fréquence de l’onde gravitationnelle). Crédit : Ore Gottlieb/CIERA/Northwestern University
« Lorsque j’ai calculé les ondes gravitationnelles provenant du voisinage du trou noir, j’ai découvert une autre source qui perturbait mes calculs : le cocon », a déclaré Ore Gottlieb. « J’ai essayé de l’ignorer. Mais je me suis rendu compte qu’il était impossible de l’ignorer. J’ai alors réalisé que le cocon était une source intéressante d’ondes gravitationnelles ».
Lorsque les jets entrent en collision avec les couches de l’étoile mourante qui s’effondrent, une bulle, ou « cocon », se forme autour du jet. Les cocons sont des endroits turbulents, où les gaz chauds et les débris se mélangent de manière aléatoire et s’étendent dans toutes les directions à partir du jet. Lorsque la bulle énergétique s’accélère à partir du jet, elle perturbe l’espace-temps et crée une ondulation d’ondes gravitationnelles, a expliqué M. Gottlieb.
« Un jet commence au plus profond d’une étoile et se fraye un chemin vers l’extérieur pour s’échapper », a expliqué M. Gottlieb. « C’est comme lorsqu’on perce un trou dans un mur. Le foret en rotation frappe le mur et des débris s’en échappent. La mèche donne de l’énergie à ce matériau. De la même manière, le jet perfore l’étoile, ce qui a pour effet de chauffer la matière de l’étoile et de la faire jaillir. Ces débris forment les couches chaudes d’un cocon ».
Appel à l’action pour étudier les cocons
Si les cocons génèrent effectivement des ondes gravitationnelles, LIGO devrait être en mesure de les détecter lors de ses prochains passages, a déclaré M. Gottlieb. Les chercheurs ont généralement recherché des ondes gravitationnelles provenant de sursauts gamma ou de supernovae, mais les astrophysiciens doutent que LIGO puisse les détecter.
« Les jets et les supernovae sont tous deux des explosions très énergétiques », a déclaré M. Gottlieb. « Mais nous ne pouvons détecter les ondes gravitationnelles qu’à partir d’explosions asymétriques à plus haute fréquence. Les supernovae sont plutôt sphériques et symétriques, de sorte que les explosions sphériques ne modifient pas la répartition équilibrée de la masse dans l’étoile pour émettre des ondes gravitationnelles. Les sursauts gamma durent des dizaines de secondes, leur fréquence est donc très faible, inférieure à la bande de fréquence à laquelle LIGO est sensible ».
Vue à 360 degrés du cocon de l’étoile mourante (la carte des couleurs représente l’amplitude logarithmique de la déformation). Crédit : Ore Gottlieb/CIERA/Northwestern University
Gottlieb demande aux astrophysiciens de réorienter leur attention vers les cocons, qui sont à la fois asymétriques et très énergétiques.
« Notre étude est un appel à l’action lancé à la communauté pour qu’elle considère les cocons comme une source d’ondes gravitationnelles. « Nous savons également que les cocons émettent des radiations électromagnétiques, et qu’ils pourraient donc être des événements multi-messagers. En les étudiant, nous pourrions en apprendre davantage sur ce qui se passe dans la partie la plus interne des étoiles, sur les propriétés des jets et sur leur prévalence dans les explosions stellaires. »
Référence : « Jetted and Turbulent Stellar Deaths : New LVK-detectable Gravitational-wave Sources » par Ore Gottlieb, Hiroki Nagakura, Alexander Tchekhovskoy, Priyamvada Natarajan, Enrico Ramirez-Ruiz, Sharan Banagiri, Jonatan Jacquemin-Ide, Nick Kaaz et Vicky Kalogera, 10 juillet 2023, The Astrophysical Journal Letters.
DOI : 10.3847/2041-8213/ace03a
Gottlieb est chercheur au Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaire en astrophysique (CIERA) de Northwestern. Les coauteurs de l’étude à Northwestern sont les professeurs Vicky Kalogera et Alexander Tchekovskoy, les associés postdoctoraux Sharan Banagiri et Jonatan Jacquemin-Ide et l’étudiant diplômé Nick Kaaz.
L’étude a été soutenue par la National Science Foundation, la NASA et le programme Fermi Cycle 14 Guest Investigator. Ces simulations avancées ont été rendues possibles par le superordinateur Summit du Oak Ridge National Laboratory du ministère de l’énergie et par le superordinateur Perlmutter du National Energy Research Scientific Computing Center, grâce à la bourse de temps de calcul ASCR Leadership Computing Challenge.