Les trous noirs de masse stellaire sont des objets célestes nés de l'effondrement d'étoiles dont la masse va de quelques centaines de fois à celle de notre soleil. Leur champ gravitationnel est si intense que ni la matière ni le rayonnement ne peuvent leur échapper, ce qui rend leur détection extrêmement difficile.
Par conséquent, lorsque les minuscules ondulations dans l'espace-temps produites par la fusion de deux trous noirs ont été détectées en 2015 par le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), elles ont été saluées comme un moment décisif.
Selon les astrophysiciens, les deux trous noirs fusionnés à l'origine du signal avaient environ 30 fois la masse du soleil et étaient situés à 1.5 milliard d'années-lumière.
Tube de faisceau du détecteur LIGO - photo d'illustration. Crédit image : Jeff Keyzer via flickr, CC BY-SA 2.0
Faire le pont entre théorie et observation
Quels mécanismes produisent ces trous noirs ? Sont-ils le produit de l'évolution de deux étoiles, semblables à notre soleil mais nettement plus massives, évoluant au sein d'un système binaire ? Ou résultent-ils de trous noirs dans des amas d'étoiles densément peuplés se rencontrant par hasard ? Ou un mécanisme plus exotique pourrait-il être impliqué ? Toutes ces questions sont encore âprement débattues aujourd'hui.
La collaboration POSYDON, une équipe de scientifiques d'institutions telles que Northwestern, l'Université de Genève (UNIGE) et l'Université de Floride (UF), a fait des progrès significatifs dans la simulation des populations d'étoiles binaires. Ces travaux contribuent à fournir des réponses plus précises et à concilier les prédictions théoriques avec les données d'observation.
"Comme il est impossible d'observer directement la formation de trous noirs binaires fusionnés, il est nécessaire de s'appuyer sur des simulations qui reproduisent leurs propriétés d'observation", a déclaré Simone Bavera, chercheuse postdoctorale au département d'astronomie de la Faculté des sciences de l'UNIGE et responsable auteur de l'étude.
"Nous le faisons en simulant les systèmes d'étoiles binaires depuis leur naissance jusqu'à la formation des systèmes de trous noirs binaires."
Une conception d'artiste montre deux trous noirs fusionnés similaires à ceux détectés par LIGO. Crédit : Aurore Simonnet/LIGO-Caltech-MIT-Sonoma State
Repousser les limites de la simulation
Interpréter les origines de la fusion des trous noirs binaires, comme celui observé en 2015, nécessite de comparer les prédictions théoriques des modèles avec les observations réelles. La technique utilisée pour modéliser ces systèmes est connue sous le nom de "synthèse de population binaire".
"Cette technique simule l'évolution de dizaines de millions de systèmes d'étoiles binaires afin d'estimer les propriétés statistiques de la population source d'ondes gravitationnelles qui en résulte", a déclaré Anastasios Fragkos, professeur assistant au département d'astronomie de la Faculté des sciences de l'UNIGE.
"Cependant, pour y parvenir dans un délai raisonnable, les chercheurs se sont jusqu'à présent appuyés sur des modèles qui utilisent des méthodes approximatives pour simuler l'évolution des étoiles et leurs interactions binaires", a-t-il déclaré. "Par conséquent, la simplification excessive de la physique stellaire simple et binaire conduit à des prédictions moins précises."
POSYDON a surmonté ces limitations. Conçu comme un logiciel open source, il s'appuie sur une vaste bibliothèque précalculée de simulations détaillées d'étoiles uniques et binaires pour prédire l'évolution de systèmes binaires isolés.
Chacune de ces simulations détaillées peut prendre jusqu'à 100 heures d'unité centrale de traitement (CPU) pour s'exécuter sur un superordinateur, ce qui rend cette technique de simulation non directement applicable à la synthèse de population binaire.
"Cependant, en précalculant une bibliothèque de simulations qui couvrent l'ensemble de l'espace des paramètres des conditions initiales, POSYDON peut utiliser ce vaste ensemble de données ainsi que des méthodes d'apprentissage automatique pour prédire l'évolution complète des systèmes binaires en moins d'une seconde", a déclaré Jeffrey Andrews, assistant. professeur au département de physique de l'UF.
"Cette vitesse est comparable à celle des codes de synthèse rapide de population de la génération précédente, mais avec une précision améliorée."
Présentation d'un nouveau modèle
POSYDON, un projet majeur de développement de code, signifie POapplication SYnthèse avec Dsimulations détaillées d'évolution binaireONs. Kalogera et Tassos Fragos, ancien Ph.D. étudiant dans le groupe de Kalogera, sont les co-chercheurs principaux du projet, qui a débuté à Northwestern en 2019 avec le soutien de la Fondation Gordon et Betty Moore et du Fonds national suisse de la recherche scientifique.
Fragos, maintenant à l'Université de Genève, est co-auteur de l'étude. L'Université de Floride a rejoint la collaboration cette année.
Les modèles précédents surestimaient certains aspects, comme l'expansion des étoiles massives, ce qui impacte leur perte de masse et les interactions binaires. Ces éléments sont des ingrédients clés qui déterminent les propriétés de la fusion des trous noirs.
Grâce à des simulations de structures stellaires détaillées et d'interactions binaires entièrement auto-cohérentes, POSYDON obtient des prédictions plus précises de la fusion des propriétés des trous noirs binaires, telles que leurs masses et leurs spins.
L'équipe de recherche développe actuellement une nouvelle version de POSYDON, qui comprendra une plus grande bibliothèque de simulations stellaires et binaires détaillées, capable de simuler des binaires dans un plus large éventail de types de galaxies.
La source: Northwestern University
