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Une nouvelle source inattendue d’ondes gravitationnelles

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Une nouvelle source inattendue d’ondes gravitationnelles

Lorsqu’un jet s’échappe d’une étoile qui s’effondre, il se transforme en un cocon de débris stellaires. Crédit : Ore Gottlieb/CIERA/Northwestern University

Jusqu’ici, ondes gravitationnelles Ils n’ont été découverts que par des astrophysiciens à partir de systèmes binaires – fusions de deux trous noirs, de deux étoiles à neutrons ou d’une de chaque. En théorie, il devrait être possible de détecter les ondes gravitationnelles émises par une seule source non binaire, mais de tels signaux insaisissables n’ont pas encore été détectés.

Aujourd’hui, des chercheurs de la Northwestern University suggèrent que ces signaux insaisissables peuvent être recherchés dans une zone nouvelle, inattendue et totalement inexplorée : les cocons turbulents et vibrants de débris qui entourent les étoiles massives mourantes.

Pour la première fois, des chercheurs ont utilisé des simulations de pointe pour montrer que ces cocons peuvent émettre des ondes gravitationnelles. Contrairement aux jets de rayons gamma, les ondes gravitationnelles des nymphes doivent se situer dans la gamme de fréquences utilisée par l’observatoire de l’interféromètre laser à ondes gravitationnelles (légo) peut être détecté.

« À ce jour, LIGO n’a détecté que des ondes gravitationnelles provenant de systèmes binaires, mais un jour, il détectera la première source non binaire d’ondes gravitationnelles », a déclaré Orr Gottlieb de Northwestern, qui a dirigé l’étude. « Les cocons sont l’un des premiers endroits où nous devons rechercher ce type de source. »

Gottlieb a récemment présenté la recherche lors d’une conférence de presse virtuelle lors de la 242e réunion de l’American Astronomical Society.

La nouvelle source « était impossible à ignorer »

Pour mener l’étude, Gottlieb et ses collaborateurs ont utilisé de nouvelles simulations de pointe pour modéliser l’effondrement d’une étoile massive. Lorsque des étoiles massives s’effondrent dans des trous noirs, elles peuvent créer de puissants jets (ou jets) de particules qui se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. La simulation de Gottlieb a modélisé ce processus – à partir du moment où une étoile s’effondre jusqu’à Trou noir jusqu’à ce que l’avion s’échappe.

Tout d’abord, il voulait voir si le disque d’accrétion qui se forme autour d’un trou noir pouvait émettre des ondes gravitationnelles détectables. Mais quelque chose d’inattendu continuait à émerger de ses données.


Evolution du jet cocon depuis la naissance par le trou noir jusqu’à la pénétration depuis l’étoile (la carte colorée est le logarithme de l’amplitude de la contrainte hors axe et le son reflète la fréquence GW). Crédit : Minerai Gottlieb/CIERA/Université du nord-ouest

« Quand j’ai calculé les ondes gravitationnelles à proximité du trou noir, j’ai trouvé une autre source qui a perturbé mes calculs – le cocon », a déclaré Gottlieb. « J’ai essayé de l’ignorer. Mais j’ai trouvé impossible de l’ignorer. Puis j’ai réalisé que le cocon était une source d’ondes gravitationnelles excitante. »

Lorsque les jets frappent les couches qui s’effondrent de l’étoile mourante, une bulle ou « cocon » se forme autour du jet. Les cocons sont des endroits turbulents, où les gaz chauds et les débris se mélangent au hasard et se dilatent dans toutes les directions à partir du jet. Gottlieb a expliqué que lorsque la bulle énergétique accélère hors du plan, elle perturbe l’espace-temps en créant une vague d’ondes gravitationnelles.

« Un jet tire profondément dans une étoile et se dirige ensuite vers l’évasion », a déclaré Gottlieb. « C’est comme lorsque vous percez un trou dans le mur. Le foret rotatif heurte le mur et des débris s’échappent du mur. Ce foret dégage de l’énergie matérielle. De même, le jet perce l’étoile, provoquant le réchauffement et le déversement de la matière de l’étoile. Ces débris forment les couches chaudes d’un cocon. »

Un appel à l’action pour regarder les cocons

Si les pupes génèrent effectivement des ondes gravitationnelles, a déclaré Gottlieb, LIGO devrait être en mesure de les détecter lors de ses prochaines exécutions. Les chercheurs recherchent généralement des ondes gravitationnelles à source unique provenant de sursauts gamma ou de supernovae, mais les astrophysiciens doutent de la capacité de LIGO à les détecter.

« Les jets et les supernovas sont des explosions très énergiques », a déclaré Gottlieb. Mais nous ne pouvons détecter les ondes gravitationnelles qu’à partir d’explosions asymétriques de fréquence plus élevée. Les supernovae sont sphériques et plus ou moins symétriques, de sorte que les explosions sphériques ne modifient pas la répartition équilibrée de la masse dans l’étoile pour émettre des ondes gravitationnelles. Les sursauts gamma durent des dizaines de secondes, donc la fréquence est très petite – inférieure à la gamme de fréquences par laquelle LIGO est affecté. »


Vue à 360° du cocon d’une étoile mourante (la carte colorée est l’amplitude de la déformation logarithmique). Crédit : Ore Gottlieb/CIERA/Northwestern University

Au lieu de cela, Gottlieb demande aux astrophysiciens de rediriger leur attention vers les cocons, qui sont asymétriques et hautement énergétiques.

« Notre étude est un appel à l’action pour que la société considère les pupes comme une source d’ondes gravitationnelles », a-t-il déclaré. « Nous savons également que les pupes émettent un rayonnement électromagnétique, elles peuvent donc être des événements multimessages. En les étudiant, nous pouvons en apprendre davantage sur ce qui se passe dans la partie la plus interne des étoiles, les propriétés des jets et leur propagation dans les explosions stellaires. »

Référence : « Mortalité stellaire fluide et turbulente : nouvelles sources d’ondes gravitationnelles LVK détectables » par Ore Gottlieb, Hiroki Nagakura, Alexander Tchekhovskoy, Priyamvada Natarajan, Enrico Ramirez-Ruiz, Sharan Banagiri, Jonatan Jacquemin-Ideicky, 20 Kaaz le Lettres du journal astrophysique.
DOI : 10.3847/2041-8213/ace03a

Gottlieb est boursier CIERA au Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA) de Northwestern. Les co-auteurs de l’étude de l’Université Northwestern comprennent les professeurs Vicki Kalogera et Aleksandr Tchikovskoy, les boursiers postdoctoraux Sharan Panagiri et Jonathan Jacmin-Eddy et l’étudiant diplômé Nick Kaz.

L’étude a été soutenue par la National Science Foundation, Nasaet le programme Fermi Cycle 14 Guest Investigator. Ces simulations avancées sont rendues possibles par le sommet des supercalculateurs du Laboratoire national d’Oak Ridge du DOE et le supercalculateur Perlmutter du NERC grâce au prix ASCR Computational Time Leadership Challenge.

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La Chine et la France lancent un satellite pour mieux comprendre l’univers

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La Chine et la France lancent un satellite pour mieux comprendre l’univers

Xichang : Un satellite franco-chinois sera lancé samedi à la recherche des explosions les plus puissantes de l’univers, un exemple marquant de coopération entre une puissance occidentale et le géant asiatique.

Le Space Variable Object Observer (SVOM), développé par des ingénieurs des deux pays, recherchera des sursauts gamma dont la lumière a parcouru des milliards d’années-lumière pour atteindre la Terre.

Le satellite de 930 kilogrammes transportant quatre instruments – deux français et deux chinois – sera lancé à bord d’une fusée chinoise Longue Marche 2-C depuis une base spatiale de Xichang, dans le sud-ouest de la province du Sichuan.

Les sursauts gamma se produisent généralement après l’explosion d’étoiles massives – celles 20 fois plus massives que le Soleil – ou la fusion d’étoiles compactes.

Les rayons cosmiques extrêmement brillants peuvent émettre une explosion d’énergie équivalente à plus d’un milliard de soleils.

Uri Gottlieb, astrophysicien au Center for Astrophysics du Flatiron Institute de New York, explique à l’AFP que les observer, c’est comme « regarder en arrière dans le temps, car la lumière de ces objets met beaucoup de temps à nous parvenir ».

– ‘Beaucoup de mystères’ –

Les rayons portent des traces de nuages ​​de gaz et de galaxies qu’ils traversent au cours de leur voyage dans l’espace, ce qui constitue une donnée précieuse pour mieux comprendre l’histoire et l’évolution de l’univers.

« SVOM a le potentiel de percer de nombreux mystères dans le domaine des sursauts gamma, notamment en révélant les GRB les plus éloignés de l’univers, qui correspondent aux plus anciens GRB », a déclaré Gottlieb.

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Les explosions les plus lointaines identifiées à ce jour se sont produites seulement 630 millions d’années après le Big Bang, soit cinq pour cent de l’âge actuel de l’univers.

« Nous nous intéressons aux sursauts gamma en tant que tels, car ce sont des explosions cosmiques très intenses qui nous permettent de mieux comprendre la mort de certaines étoiles », a déclaré Frederick Denny, astrophysicien à l’Institut d’astrophysique. Paris.

« Toutes ces données permettent de tester les lois de la physique avec des phénomènes impossibles à reproduire en laboratoire sur Terre. »

Une fois analysées, les données peuvent aider à mieux comprendre la composition de l’espace, la dynamique des nuages ​​de gaz ou d’autres galaxies.

Le projet est issu d’un partenariat entre les agences spatiales française et chinoise ainsi que d’autres groupes scientifiques et techniques des deux pays.

Une coopération spatiale à ce niveau entre l’Occident et la Chine est assez rare, d’autant plus que les États-Unis ont interdit toute coopération entre la NASA et Pékin en 2011.

– Course contre le temps –

Jonathan McDowell, astronome au Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian aux États-Unis, a déclaré : « Les préoccupations américaines concernant le transfert de technologie ont empêché les alliés américains de coopérer dans une large mesure avec les Chinois, mais cela arrive parfois. »

En 2018, la Chine et la France ont lancé conjointement CFOSAT, un satellite océanographique principalement utilisé pour la météorologie maritime.

Plusieurs pays européens ont participé au programme chinois d’exploration lunaire Chang’e.

Bien que SVOM ne soit « en aucun cas unique », a déclaré McDowell, il reste « important » dans le contexte de la coopération spatiale entre la Chine et l’Occident.

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Une fois qu’il aura atteint une orbite à 625 kilomètres (388 miles) au-dessus de la Terre, le satellite enverra ses données aux observatoires.

Le principal défi est que les sursauts gamma sont très courts, ce qui oblige les scientifiques à courir contre la montre pour collecter des informations.

Dès qu’une explosion est détectée, SVOM envoie une alerte à l’équipe en service 24 heures sur 24.

D’ici cinq minutes, ils devront faire fonctionner un réseau de télescopes au sol qui s’aligneront précisément sur l’axe de la source d’explosion pour faire des observations plus détaillées.

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Il y a toujours eu quelque chose qui cloche à propos de la nébuleuse du Crabe. Webb a révélé pourquoi !

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La nébuleuse du Crabe m’a toujours fasciné, même si elle me fascine car elle ne ressemble pas du tout à un crabe ! Ils sont le résultat d’une étoile qui a explosé à la fin de sa vie en 1054 après JC, laissant derrière elle ce que l’on appelle un reste de supernova. A cette époque, l’explosion était visible à l’œil nu, même de jour. On pensait que la supernova à l’origine du nuage provenait d’une étoile moins évoluée dotée d’un noyau composé d’oxygène, de néon et de magnésium. Des études récentes du télescope spatial James Webb révèlent qu’il pourrait s’agir en fait de l’effondrement du noyau d’une étoile riche en fer.

La nébuleuse du Crabe se trouve dans la constellation du Taureau avec un diamètre de 11 années-lumière. Au plus profond du nuage, qui s’étend à une vitesse de 1 500 kilomètres par seconde, se trouve une étoile à neutrons en rotation rapide connue sous le nom de pulsar. Il émet un faisceau de rayonnement électromagnétique qui traverse l’espace comme un phare balayant l’océan. Elle a fait l’objet de nombreuses études pour connaître la dynamique de l’évolution stellaire.

Des études antérieures ont tenté de comprendre l’énergie cinétique totale de l’explosion initiale en fonction de la vitesse du nuage en expansion. Les données suggèrent que la supernova avait une énergie relativement faible, de sorte que l’étoile progénitrice avait probablement une masse de 8 à 10 fois supérieure à celle du Soleil. Si elle avait été plus massive, elle aurait connu une supernova plus violente qui aurait été détectée par la vitesse plus élevée du nuage de gaz en expansion. Mais il y avait un problème.

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Le télescope de 48 pouces de l’observatoire Fred Lawrence Whipple a capturé cette image en lumière visible de la galaxie Pinwheel (Messier 101) en juin 2023. L’emplacement de la supernova 2023ixf est encerclé. L’observatoire, situé sur le mont Hopkins en Arizona, est exploité par le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Hiramatsu et coll. 2023/Sébastien Gomez (STScI)

Les observations de la nébuleuse du Crabe, en particulier la vitesse de rotation élevée du pulsar, semblent contredire la théorie actuelle de la supernova. Dans un modèle d’étoiles de faible masse comme l’étoile progénitrice de la nébuleuse du Crabe, l’oxygène présent dans le noyau s’enflamme lorsque le noyau s’effondre. Ce processus n’a pas assez d’énergie pour générer un pulsar à rotation aussi rapide.

Une équipe d’astronomes a répondu à cette curiosité en utilisant MIRI (Mid-Infrared Instrument) et NIRCam (Near Infrared Camera) à bord du télescope spatial James Webb pour collecter des données sur la nébuleuse du Crabe. L’équipe était dirigée par Tai Tamim de l’Université de Princeton dans le New Jersey. Ils ont déclaré que la composition gazeuse du nuage indique que l’étoile pourrait être plus évoluée avec du fer dans le noyau, ce qui pourrait conduire à une supernova d’énergie plus élevée qu’on ne le pensait auparavant.

Concept artistique du télescope spatial James Webb

Grâce aux instruments sensibles à l’infrarouge de Webb, les raies d’émission du fer et du nickel peuvent être vues plus clairement que jamais. L’étude des raies brillantes dans le spectre de la nébuleuse a permis d’obtenir une estimation plus fiable du rapport fer/nickel. Ils ont découvert qu’il s’agissait d’un pourcentage plus élevé par rapport au Soleil que celui auquel on pourrait s’attendre pour une supernova plus active.

Les résultats sont prometteurs mais les lectures proviennent de deux petites régions de la nébuleuse, donc pour exclure les variations sur l’ensemble des 11 années-lumière, davantage de lectures sont nécessaires. Si les données de Webb représentent la nébuleuse entière, l’un des mystères de la nébuleuse pourrait enfin être résolu.

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source : Enquête sur les origines de la nébuleuse du Crabe avec Webb de la NASA

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Des chercheurs observent pour la première fois un catalyseur lors d’une réaction électrochimique

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Des chercheurs observent pour la première fois un catalyseur lors d’une réaction électrochimique

Les réactions électrochimiques sont essentielles à la fabrication de divers produits dans les industries.

La fabrication de l’aluminium, des tuyaux en PVC, du savon et du papier dépend de ces réactions électrochimiques, qui font également partie intégrante du fonctionnement des batteries des appareils électroniques, des voitures, des stimulateurs cardiaques et bien plus encore. De plus, elle a le potentiel de révolutionner la production d’énergie durable et l’utilisation des ressources.

Le cuivre et les catalyseurs similaires jouent un rôle crucial dans la catalyse de ces réactions et sont largement utilisés dans les applications électrochimiques industrielles. Cependant, le manque de compréhension du comportement des catalyseurs au cours des réactions a entravé le développement de catalyseurs améliorés. Jusqu’à présent, les chercheurs n’étaient capables d’imager les stimuli qu’avant et après les réactions, ce qui laisse un vide dans la compréhension des processus qui se produisent entre les deux.

Une collaboration entre le California Institute for Nanosystems de l’Université de Californie et le Lawrence Berkeley National Laboratory a supprimé cette limitation. L’équipe a utilisé une cellule électrochimique spécialement conçue pour surveiller la structure atomique du catalyseur en cuivre pendant la réaction conduisant à la décomposition du dioxyde de carbone.

Cette méthode offre un moyen potentiel de convertir les gaz à effet de serre en carburant ou en d’autres matériaux précieux. Les chercheurs ont enregistré des cas dans lesquels le cuivre formait des amas liquides puis disparaissait à la surface du catalyseur, entraînant des piqûres visibles.

« Pour quelque chose qui est si omniprésent dans nos vies, nous comprenons très peu de choses sur le fonctionnement des stimuli en temps réel. » a déclaré le co-auteur Bri Narang, professeur de sciences physiques à l’UCLA et membre du CNSI. « Nous avons désormais la capacité d’observer ce qui se passe au niveau atomique et de le comprendre d’un point de vue théorique.

« Tout le monde bénéficierait de la conversion directe du dioxyde de carbone en carburant, mais comment pouvons-nous le faire à moindre coût, de manière fiable et à grande échelle ? » a ajouté Narang, qui occupe également un poste en génie électrique et informatique à la School of Engineering de l’UCLA. « C’est le genre de science fondamentale qui devrait faire avancer ces défis. »

Sur la gauche, une flèche rouge suit le mouvement d’un atome de cuivre individuel pendant la réaction électrochimique. À droite, les flèches jaunes indiquent les piqûres restant dans la surface du catalyseur. Source de l’image : Qiubo Zhang/Laboratoire national Lawrence Berkeley

Les découvertes dans le domaine de la recherche sur le développement durable ont des implications significatives, et la technologie qui permet ces découvertes a le potentiel d’améliorer l’efficacité des processus électrochimiques dans diverses applications qui ont un impact sur la vie quotidienne.

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Selon Yu Huang, co-auteur de l’étude et professeur Traugott et Dorothea Frederking et directeur du Département de science et d’ingénierie des matériaux à l’UC Samueli, l’étude pourrait aider les scientifiques et les ingénieurs à passer d’essais et d’erreurs à une approche de conception plus systématique. .

« Toute information que nous pouvons obtenir sur ce qui se passe réellement lors de la stimulation électrique est d’une aide précieuse pour notre compréhension de base et notre recherche de conceptions pratiques. » a déclaré Huang, membre du CNSI. « Sans cette information, c’est comme si nous lancions des fléchettes les yeux bandés et espérions atteindre quelque part près de la cible. »

Un microscope électronique de haute puissance de la fonderie moléculaire du Berkeley Lab a été utilisé pour capturer les images. Ce microscope utilise un faisceau d’électrons pour examiner des spécimens avec un niveau de détail inférieur à la longueur d’onde de la lumière.

Des défis sont rencontrés en microscopie électronique lorsqu’on tente de révéler la structure atomique des matériaux dans des environnements liquides, comme le bain d’électrolyte salin nécessaire à une réaction électrochimique.

L’ajout d’électricité à l’échantillon augmente la complexité du processus. L’auteur correspondant Haiime Cheng, scientifique principal au Berkeley Lab et professeur adjoint à l’UC Berkeley, et ses collègues ont développé un dispositif hermétiquement fermé pour surmonter ces obstacles.

Les scientifiques ont effectué des tests pour s’assurer que le flux d’électricité dans le système n’affectait pas l’image résultante. En se concentrant sur l’endroit exact où le catalyseur en cuivre rencontre l’électrolyte liquide, l’équipe a enregistré les changements qui se sont produits sur une période d’environ quatre secondes.

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Au cours de la réaction, la structure du cuivre s’est transformée d’un réseau cristallin régulier, généralement présent dans les métaux, en une masse irrégulière. Ce faisceau désordonné, composé d’atomes de cuivre et d’ions chargés positivement ainsi que de quelques molécules d’eau, s’est ensuite déplacé à la surface du catalyseur. Ce faisant, les atomes ont été échangés entre du cuivre régulier et irrégulier, piquant la surface du catalyseur. Finalement, la masse irrégulière a disparu.

« Nous ne nous attendions pas à ce que la surface se transforme en une forme amorphe puis revienne à une structure cristalline. » a déclaré le co-auteur Yang Liu, étudiant diplômé de l’UCLA dans le groupe de recherche de Huang. « Sans cet outil spécial pour observer le système en action, nous ne serions jamais en mesure de capturer ce moment. Les progrès des outils de caractérisation comme ceux-ci permettent de nouvelles découvertes fondamentales, nous aidant à comprendre le fonctionnement des matériaux dans des conditions réelles. »

Référence du magazine :

  1. Qiubo Zhang, Zhigang Song, Qianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Cheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Bryneha Narang, Yue Huang et Haimei Cheng. Dynamique atomique des interfaces solide-liquide électrifiées dans les cellules liquides TEM. Nature, 2024 ; Identification numérique : 10.1038/s41586-024-07479-s

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