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Le projet BNSmergers a cherché à répondre à certaines questions fondamentales de l’astrophysique moderne en se concentrant sur la composition interne des étoiles à neutrons. Les étoiles à neutrons sont les objets les plus compacts de notre Univers, ce qui signifie qu’elles concentrent des masses considérables dans des volumes très réduits.
«À l’intérieur du noyau d’une étoile à neutrons, les densités atteignent le chiffre incroyable de 100 millions de tonnes par centimètre cube», explique Chris Van Den Broeck, coordinateur du projet et rattaché à l’Institut national de physique subatomique (Nikhef), aux Pays-Bas. «Cela en fait des “laboratoires” idéaux pour étudier la matière dans des conditions extrêmes. C’est particulièrement vrai lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, à partir d’un système stellaire binaire. Cela donne des densités encore plus élevées qu’à l’intérieur d’une seule étoile.»
Mais pour pouvoir étudier les systèmes binaires d’étoiles à neutrons, les astrophysiciens doivent d’abord les repérer. L’astronomie des ondes gravitationnelles exploite, comme son nom l’indique, les ondes gravitationnelles pour recueillir des données sur des objets éloignés, et offre aux astrophysiciens une opportunité sans précédent de détecter et observer des systèmes binaires d’étoiles à neutrons.
«Ce travail repose sur une compréhension détaillée des processus de fusion», explique Chris Van Den Broeck. «En général, cela ne peut se faire qu’avec des modèles théoriques très sophistiqués qui décrivent les ondes gravitationnelles et les signaux électromagnétiques qui sont libérés pendant et après la fusion. BNSmergers avait pour objectif principal de développer des modèles de ce type pour des étoiles à neutrons binaires génériques.»
Analyser les ondes gravitationnelles
Le projet, entrepris avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, financé par l’UE, s’est appuyé sur de récentes découvertes qui ont bouleversé l’astronomie. La première détection directe d’ondes gravitationnelles provenant de la collision de deux trous noirs n’a été détectée qu’en 2015, tandis que la première observation combinée d’ondes gravitationnelles et électromagnétiques issues d’une fusion binaire d’étoiles à neutrons a eu lieu en 2017.
«Modéliser la matière à haute densité reste toutefois l’un des problèmes les plus ardus de la physique théorique», ajoute Tim Dietrich, titulaire d’une bourse Marie Skłodowska-Curie au Nikhef. «Même une simulation simple peut tourner pendant des semaines, voire des mois, sur un supercalculateur.»
Pour remédier à ce problème, Tim Dietrich et ses collègues ont réussi à développer un nouveau cadre analytique, reposant sur des centaines de simulations informatiques collectées. Cela permet aux astrophysiciens de travailler beaucoup plus rapidement qu’avec les simulations relativistes numériques existantes. «En outre, l’approximation s’avère suffisamment précise pour être directement utilisée afin d’analyser les signaux des ondes gravitationnelles», explique Tim Dietrich.
De la base de données aux étoiles
Ces résultats pourraient aider les astrophysiciens à percer certains des secrets de l’Univers. «Nous avons pu améliorer les modèles d’ondes gravitationnelles existants qui sont utilisés pour décrire les signaux électromagnétiques liés aux fusions d’étoiles à neutrons binaires», explique Tim Dietrich.
«Cela a permis d’obtenir de nouvelles informations sur les propriétés des étoiles à neutrons, sur l’état de la matière à l’intérieur de ces dernières, et même sur la vitesse de l’expansion de l’Univers. Ces modèles offrent également la possibilité d’étudier des objets compacts plus exotiques, comme les étoiles constituées exclusivement de matière noire. Si de tels scénarios sont généralement de nature plus spéculative, il faut toutefois consacrer des ressources à la théorie pour exclure ou confirmer leur existence.»
Tim Dietrich a récemment reçu le prestigieux prix Heinz Billing pour la promotion du calcul scientifique, dans le cadre son travail sur le projet BNSmergers. Ce prix est décerné tous les deux ans par la Max Planck Society, en Allemagne, pour récompenser des contributions exceptionnelles dans le domaine de la physique computationnelle. «Le fait d’avoir reçu le prix Heinz Billing pour la promotion du calcul scientifique dans le cadre de mes travaux sur la relativité numérique témoigne une fois de plus de l’importance croissante de l’astronomie des ondes gravitationnelles», souligne Tim Dietrich.
Le projet a également donné naissance à la première base de données dédiée aux ondes gravitationnelles des systèmes binaires d’étoiles à neutrons. Les simulations du projet, ainsi que celles réalisées avant qu’il ne débute, ont été rendues publiques. De nombreux scientifiques se sont déjà servis de ces ressources pour poursuivre leurs recherches sur les étoiles à neutrons. «De cette manière, nous espérons que l’ensemble de la communauté scientifique pourra bénéficier des travaux que nous avons accomplis ces dernières années», conclut Chris Van Den Broeck.