L’apparition d’hypernovae est provoquée par une «tempête idéale» magnétique turbulente

L’apparition d’hypernovae est provoquée par une «tempête idéale» magnétique turbulente

Bien que les champs magnétiques intenses aient longtemps été considérés comme la cause des supernovae les plus puissantes, les astrophysiciens ont créé un modèle informatique du champ magnétique, montrant ce qui se passe à l'intérieur d'une étoile mourante avant qu'elle ne devienne un monstre spatial.

Quand des étoiles massives meurent, elles explosent. Mais parfois, de telles étoiles explosent très fortement et produisent l'une des explosions les plus puissantes de l'univers observable.

Lorsqu'une étoile massive épuise ses réserves en hydrogène, une forte gravité à l'intérieur du noyau provoque une fusion progressive de ses éléments les plus massifs. À l'échelle cosmique, ce processus est rapide. Mais dès que la fusion avec le fer se produit, le processus s’arrête brusquement. La réaction thermonucléaire dans le noyau s'arrête et la force de gravité cherche à le détruire complètement.

En une seconde à peine, le noyau de l’étoile est fortement comprimé et son diamètre diminue de 1 000 à 10 milles, ce qui entraîne l’apparition d’ondes de choc véritablement gigantesques qui déchirent l’étoile. En bref, il se produit ce qui suit: l’étoile épuise son carburant, compression, ondes de choc, explosion massive. Il ne reste qu’un nuage de gaz chaud en expansion rapide et une minuscule étoile à neutrons qui tourne rapidement à l’endroit où se trouvait le noyau.

Ce modèle est compréhensible et bien adapté pour expliquer comment meurent des étoiles massives. Mais parfois, dans les coins les plus reculés de l'univers, les astronomes remarquent des explosions d'étoiles dont la puissance dépasse de loin celle des modèles de supernova traditionnels. Ces explosions sont appelées éclats de rayons gamma et on pense que leur apparition est due à une race particulière de supernova, l’Hypernova. Outre le fait que Hypernova doit son nom à un méchant d’un film basé sur les bandes dessinées Marvel, c’est aussi l’incarnation de l’intensité magnétique. L'effondrement du noyau d'une étoile massive ne conduit pas seulement à une augmentation rapide de sa densité. L'étoile continue de tourner et, comme une patineuse artistique, qui se serre les mains tout en faisant pivoter, le noyau qui s'effondre de l'étoile qui s'effondre commence à se «dérouler» rapidement. Parallèlement à la rotation, les courants turbulents dans les émissions de plasma surchauffé et le champ magnétique de l’étoile deviennent extrêmement concentrés.

L’apparition d’hypernovae est provoquée par une «tempête idéale» magnétique turbulente

étoile Hypernova, formant 2 jets gamma (à la vue de l'artiste)

Jusqu'à présent, les effets causés par l'effondrement du noyau de la supernova étaient considérés comme suffisamment étudiés - en théorie, mais confirmés par des observations de supernovae. Mais le mécanisme des hypernovae (et des sursauts gamma) n’a pas été complètement étudié jusqu’à présent.

En utilisant des simulations sur l'un des supercalculateurs les plus puissants de la planète, une équipe internationale de chercheurs a créé un modèle de noyau hypernova lors d'un effondrement, une fraction de seconde après l'explosion. Et ce qu'ils ont découvert peut aider à résoudre le mystère des sursauts gamma.

On pense que la haute énergie des sursauts gamma est causée par quelque chose qui se produit au cœur d’une étoile massive lors de son effondrement et de sa transformation en supernova. Quelque chose qui éjecte la matière et l'énergie dans des directions opposées, formant deux jets fortement concentrés (ou collimatés) émergeant des pôles magnétiques d'une supernova. Ces jets sont si intenses que si l'un d'entre eux est dirigé vers la Terre, le rayonnement qui en émane donnera l'impression qu'il est causé par une explosion beaucoup plus puissante que celle d'une supernova ordinaire. «Nous avons essayé de trouver le mécanisme de base, le principal outil, et pourquoi l’effondrement d’une étoile peut conduire à la formation de tels jets», a déclaré Eric Schnetter de l’Institute for Theoretical Physics de Waterloo, en Ontario, qui a mis au point un modèle pour la étoiles

Pour comprendre pourquoi ces jets sont si puissants, imaginons un bâton de dynamite posé sur le sol et un boulet de canon placé sur le dessus. Lorsque la dynamite explose, il y aura une forte détonation et il restera peut-être un petit entonnoir à fumer. Mais il est peu probable que le boulet de canon vole loin. Très probablement, un petit saut et glisser dans l'entonnoir. Mais si vous mettez la même dynamite dans un tuyau métallique, fermez une extrémité et faites rouler un boulet de canon à l'air libre - pendant l'explosion, toute l'énergie sera concentrée à l'extrémité ouverte du tuyau et le noyau volera sur des centaines de mètres.

Par analogie avec la dynamite, la majeure partie de l'énergie de l'hypernova est concentrée dans deux jets situés à l'intérieur des «tubes» magnétiques. Par conséquent, lorsque nous voyons un jet dirigé vers nous, il semble être bien plus lumineux (et plus puissant) que la luminosité de ses composants si une supernova de son énergie était émise dans toutes les directions. C'est un sursaut gamma.

Cependant, le processus de formation de tels jets était presque incompréhensible. Mais la modélisation du supercalculateur Blue Waters situé au Centre national des applications de supercalculateur de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, qui a duré deux semaines, a révélé une dynamo extrêmement puissante mise en mouvement par la turbulence, qui pourrait en être la cause. "Avec l'aide d'une dynamo, de petites structures magnétiques tombent à l'intérieur d'une étoile massive et se transforment en structures magnétiques de plus en plus grandes nécessaires à la formation d'hypernovae et de longues sursauts gamma", a déclaré Phillip Mosta, PhD de l'Université de Californie à Berkeley, premier auteur de l'étude, publié dans le journal Nature. "Cela commence tout le processus."

«On a longtemps cru que c'était possible. Et maintenant, nous l'avons également montré.

Reconstituant la structure à petite échelle du noyau d’une étoile mourante lors d’un effondrement, les chercheurs ont montré - pour la première fois - qu’un mécanisme appelé «instabilité magnétique en rotation» pourrait créer de fortes conditions magnétiques à l’intérieur du noyau d’hypernova, qui contribuent à la formation de jets puissants.

On sait que différentes couches d’une étoile tournent à des vitesses différentes. Même notre soleil a une rotation différentielle. Lorsque le noyau d'une étoile massive s'effondre, la rotation différentielle provoque une forte instabilité, ce qui crée une turbulence qui transforme les champs magnétiques en tubes à puissant flux magnétique. Un tel alignement rapide sur une ligne accélère le plasma en étoile, ce qui, à son tour, augmente la rotation du champ magnétique de quadrillions (c'est-à-dire 1 fois 15 zéros). Ce cercle vicieux entraîne la libération rapide de matériau des pôles magnétiques et déclenche le mécanisme d'hypernova et de sursaut gamma.

Selon Most, cette situation est similaire à celle des puissants ouragans qui se forment dans l’atmosphère terrestre. Les petits écoulements turbulents se fondent dans un seul grand cyclone. Par conséquent, l'hypernova peut être considérée comme une «tempête idéale», dans laquelle une petite turbulence dans le noyau en train de s'effondrer crée de puissants champs magnétiques qui, à leur tour, provoquent, dans des conditions appropriées, la formation de jets de matière intenses. «Nous avons réalisé la première simulation à grande échelle de ce processus en très haute résolution, ce qui montre la formation d'un vaste champ global à partir d'un champ exceptionnellement turbulent», a déclaré Most. "La simulation démontre également le mécanisme de formation de magnétars et d'étoiles à neutrons avec un champ magnétique très puissant, ce qui peut provoquer l'apparition d'une classe spéciale de supernova très brillante."

Bien qu’il soit intéressant en soi d’étudier les explosions les plus puissantes de l’Univers, cette étude peut également aider à comprendre comment se sont formés certains des éléments les plus lourds de notre Univers.

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