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Révéler les heures turbulentes d’une étoile en fin de vie

À l’aide de simulations perfectionnées dans un puissant superordinateur, une équipe internationale de chercheurs a entrevu les turbulences uniques qui alimentent les explosions d’étoiles.

Toutes les étoiles du ciel finiront par mourir — et certaines d’entre elles le feront vraiment dans une explosion.

Lorsqu’une étoile en fin de vie devient une supernova, elle explose avec une telle force qu’elle occulte toute la galaxie dans laquelle elle a vécu, projetant de la matière et de l’énergie sur des distances inimaginables, à une vitesse voisine de celle de la lumière.

Dans certains cas, ces cataclysmes cosmiques défient la théorie, en projetant dans des directions opposées 2 étroits rayons, appelés jets, au lieu d’exploser de manière symétrique dans toutes les directions à la manière d’un feu d’artifice.

Expliquer la création de ces jets est une entreprise difficile, mais une équipe internationale de chercheurs a récemment fait appel à de puissantes simulations informatiques pour avancer quelques réponses.

Cette équipe, dirigée par Philipp Mösta (boursier Einstein de la NASA à l’Université de la Californie à Berkeley) et comprenant les chercheurs Christian Ott, David Radice et Luke Roberts, de Caltech, l’informaticien Erik Schnetter, de l’Institut Périmètre, et Roland Haas, de l’Institut Max-Planck de physique gravitationnelle, a publié ses constatations le 30 novembre dans la revue Nature.

Leurs travaux jettent un éclairage sur la réaction en chaîne explosive qui crée les jets en question et qui, avec le temps, contribue à façonner la structure de l’univers telle que nous la connaissons.

« Nous recherchons le mécanisme fondamental, le moteur central qui fait en sorte que l’effondrement d’une étoile peut donner lieu à la formation de jets » [traduction], déclare Erik Schnetter, qui a conçu des programmes informatiques de simulation utilisés par l’équipe de chercheurs pour modéliser des étoiles en fin de vie.

L’équipe de chercheurs a découvert que ce moteur central est un lieu plein de turbulences. À l’instar d’une vieille voiture dont la suspension est en mauvais état et qui roule sur une route défoncée, tout système turbulent ne peut que devenir de plus en plus chaotique. Dans certains types de supernovas, cette turbulence est due à ce que l’on appelle une instabilité magnétorotationnelle — une sorte de modification rapide du champ magnétique d’un système en rotation, comme le sont certaines étoiles.

Visualisation à l’aide d’un superordinateur du champ magnétique toroïdal dans une étoile massive effondrée, montrant comment, en à peine 10 millisecondes, la rotation différentielle rapide rend le champ magnétique d’une telle étoile un million de milliards de fois plus intense que celui de notre Soleil (le jaune représente un champ positif, et le bleu clair un champ négatif). Le rouge et le bleu foncé représentent respectivement des champs magnétiques positifs et négatifs plus faibles. Les simulations et la visualisation sont de Philipp Mösta.

Avant les travaux d’Erik Schnetter et de ses collègues, on croyait que l’instabilité était une cause possible de la formation de jets dans des supernovas, mais il y avait peu de preuves pour appuyer cette hypothèse.

Pour découvrir de telles preuves, il fallait ce que M. Schnetter qualifie de parfaite tempête scientifique.

« Il faut les bonnes personnes ayant les bonnes compétences et la chimie qu’il faut entre elles; il faut les connaissances appropriées en physique, en mathématiques et en informatique; et il faut le matériel informatique capable de réaliser cette simulation. » [traduction]

Les chercheurs ont réuni les bonnes personnes et ont trouvé la puissance informatique nécessaire à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.

L’équipe a utilisé Blue Waters, l’un des superordinateurs les plus puissants au monde, pour exécuter des simulations d’explosions de supernovas — simulations si complexes qu’aucun ordinateur ordinaire ne pourrait effectuer les calculs nécessaires. Dans Blue Waters, les simulations ont fourni un aperçu sans précédent des forces magnétiques extrêmes en jeu dans les explosions d’étoiles.

Les simulations 3D ont révélé une cascade inversée d’énergie magnétique dans le cœur d’étoiles en rotation, qui s’accumule avec suffisamment d’intensité pour projeter des jets à partir des pôles stellaires.

Même si ces simulations ne tiennent pas compte de toutes les variables du chaos qui règne dans une véritable supernova, elles permettent d’atteindre un niveau sans précédent de compréhension, qui alimentera de futures recherches menées à l’aide de simulations plus spécialisées.

Selon Erik Schnetter, l’amélioration de notre connaissance des explosions de supernovas est un processus continu, qui pourrait nous aider à mieux comprendre — pour emprunter une formule de Douglas Adams — les origines de la vie, de l’univers et de tout.

La formation des galaxies, des étoiles, et même de la vie, est fondamentalement liée à l’énergie et à la matière projetées lors d’explosions d’étoiles. On sait que même notre Soleil, qui soutient toute la vie présente sur notre planète, est un descendant d’une ancienne supernova.

Par conséquent, explique M. Schnetter, les explosions d’étoiles sont profondément reliées à certaines des questions les plus fondamentales que le genre humain puisse se poser sur l’univers. Et en prime, les explosions de supernovas sont vraiment impressionnantes.

« Elles font partie des événements les plus puissants de l’univers, ajoute-t-il. Qui ne voudrait pas en savoir plus à leur sujet? » [traduction]

Visualisation à l’aide d’un superordinateur du champ magnétique toroïdal dans une étoile massive effondrée, montrant comment, en à peine 10 millisecondes, la rotation différentielle rapide rend le champ magnétique d’une telle étoile un million de milliards de fois plus intense que celui de notre Soleil (le jaune représente un champ positif, et le bleu clair un champ négatif). Le rouge et le bleu foncé représentent respectivement des champs magnétiques positifs et négatifs plus faibles. On voit de gauche à droite des simulations avec des résolutions de 500 m, 200 m, 100 m et 50 m. Les simulations et la visualisation sont de Philipp Mösta.

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