Enveloppe et fusion d'étoiles

Publié par Redbran le 29/05/2021 à 13:00
Source: CEA IRFU
Depuis la détection par les interféromètres de la collaboration LIGO-Virgo d'ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux trous noirs, les binaires de trous noirs comptent parmi les objets célestes qui intriguent le plus les scientifiques. Une équipe d'astronomes, dont des chercheurs du Département d'Astrophysique/ Laboratoire AIM du CEA Paris-Saclay et du laboratoire APC, ont déterminé, grâce à plus de 60 000 simulations numériques d'évolutions stellaires, les caractéristiques des progéniteurs à l'origine des fusions de binaires de trous noirs de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) inférieure à 10 masses solaires. Selon cette étude, une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) dans l'évolution du système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme...) dite phase d'enveloppe commune joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle essentiel dans le processus conduisant, ou non, à la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) des deux trous noirs. Ces travaux font l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'un article à paraître dans la revue Astronomy & Astrophysics.

De la fusion de deux étoiles à l'émission d'ondes gravitationnelles

Depuis 2015 et la détection des premières ondes gravitationnelles par la collaboration LIGO-Virgo, de nombreux autres événements ont été observés par ces interféromètres géants, ouvrant ainsi la voie à l'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) gravitationnelle. Les chercheurs disposent dès lors d'un nouveau messager pour étudier les phénomènes les plus violents de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Parmi ces phénomènes, les fusions de binaires de trous noirs, des systèmes composés de deux trous noirs en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...), intéressent particulièrement les chercheurs. Les instruments de la collaboration LIGO-Virgo ont détecté à plusieurs reprises les ondes gravitationnelles émises provenant de la fusion de deux trous noirs. Mais de nombreuses inconnues demeurent sur les caractéristiques des objets compacts ainsi que sur celles de leur progéniteur.

L'histoire des progéniteurs peut rapidement se résumer ainsi: deux étoiles massives naissent dans le même nuage interstellaire (En astronomie, nuage interstellaire est le nom générique donné aux accumulations de gaz et de...). Au cours de leur vie (La vie est le nom donné :), elles échangent de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) avant, l'une après l'autre, d'imploser en supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une...) au bout d'une ou deux dizaines de millions d'années, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) en résidu un duo de trous noirs. Ces deux trous noirs orbitent l'un autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de l'autre et se rapprochent lentement pendant quelques milliards d'années avant de finalement fusionner en produisant un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) d'ondes gravitationnelles détecté par le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) LIGO-Virgo. Le scénario dépend néanmoins de nombreux paramètres comme la masse initiale de chaque étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...), leur composition, leur séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) orbitale, ou encore leur vitesse (On distingue :) de rotation.

Une phase mal connue, un code numérique

Une étape, mal connue mais qui semble essentielle, est à prendre en compte: la phase d'enveloppe commune qui décrit un épisode relativement bref dans la vie du couple stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la...) au cours duquel une enveloppe de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) immerge entièrement la binaire. Pendant cette phase d'enveloppe commune, un important transfert de masse (Dans le jargon automobile, le transfert de masse (souvent confondu avec le transfert de charge) se...) a lieu entre les deux astres et l'orbite, C'est également durant cette phase que l'orbite du système binaire décroît rapidement conduisant potentiellement au processus de fusion des deux objets.

Afin de mieux appréhender les processus en jeu lors de l'évolution du couple d'étoiles, l'équipe de chercheurs a utilisé et adapté en incluant la phase d'enveloppe commune le code public MESA, un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) de simulation de l'évolution hydrodynamique stellaire ainsi que des interactions entre chaque étoile. Plus de 60 000 simulations hydrodynamiques d'évolution et de fusion d'étoiles répondant aux conditions spécifiques fixées par les chercheurs de cette équipe ont été menés à bien sur le cluster de calcul du laboratoire APC à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...).


Taux de détection de fusion de binaires de trous noirs (/an/Gpc3) en fonction de la distance (z), pour des compositions stellaires (Z) distinctes. La courbe noire représente la somme des taux de détection pour les différentes compositions stellaires.


Schéma de l'évolution des progéniteurs d'une fusion de binaire de trous noirs selon cette étude... Un premier épisode de transfert de masse stable a lieu avant la formation du premier trou noir, puis un deuxième épisode de transfert de masse instable conduisant à une phase d'enveloppe commune prend place. Cette phase d'enveloppe commune joue un rôle fondamental, car seuls les progéniteurs survivant à cette phase sont capables ensuite de fusionner en un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) inférieur à la durée de vie de l'univers.

Le résultat de cette simulation prédit des taux de fusion compris entre 0,2 et 5,0/an/Gpc3 dans l'univers local, correspondant à la détection annuelle de 1.2 et 3.3 détections pour ce type de fusion de trous noirs de masse inférieure à 10 masses solaire. Ce chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) est comparable aux événements d'ondes gravitationnelles détectés par la collaboration LIGO-Virgo lors des premières campagnes d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...). Ce résultat conforte la méthode utilisée pour étudier les progéniteurs stellaires des candidats trous noirs susceptibles de fusionner et de se manifester par l'émission d'un signal gravitationnel.

Contact:
"Progenitors of low-mass binary black-hole mergers in the isolated binary evolution scenario" Federico García, Adolfo Simaz Bunzel, Sylvain Chaty, Edward Porter, et Eric Chassande-Mottin.
A paraître dans Astronomy & Astrophysics.
http://arxiv.org/abs/2103.03161
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