Projet ANR-10-BLAN-0503 – SN2NS : Modélisation de l'effondrement stellaire et naissance des étoiles à neutrons et des trous noirs
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Sciences de l’univers (Blanc SIMI 5)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Thierry FOGLIZZO (COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES - CENTRE D'ETUDES NUCLEAIRES SACLAY)
Partenaires : Laboratoire Univers et Théories; Institut de Physique Nucléaire d'Orsay; Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers
Montant : 590000.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : SN2NS, from Supernovae to Neutron StarsModélisation de l'effondrement stellaire et naissance des étoiles à neutrons et des trous noirs
Comprendre le mécanisme d'explosion des étoiles massives à 3DL'objectif scientifique du projet SN2NS est double: élucider le mécanisme d'explosion des étoiles massives, et caractériser les conditions de naissance des étoiles à neutrons et trous noirs qui en résultent, en utilisant une équation d'état et des taux de réactions calculés de façon consistante.La compréhension théorique de la nature tridimensionnelle de l'explosion doit permettre d'interpréter les nombreuses observations de supernova extragalactiques, en particulier leur asphéricité. La détection d'ondes gravitationnelles et de neutrinos constitue la mesure la plus directe du mécanisme d'explosion. La caractérisation théorique de la masse, la vitesse, le moment cinétique des étoiles à neutrons et trous noirs peut aussi être comparée aux observations. Pour répondre à ces questions, le projet SN2NS développera un outil numérique qui sera le premier code Français d'effondrement gravitationnel. Il pourra être utilisé par la suite pour d'autres développements en directions des explosions magnétiques et du moteur des sursauts gamma.
Hydrodynamique 3D, relativité numérique et microphysiqueLa complexité des ingrédients physiques qui entrent en jeu au cours de l'effondrement nécessite une expertise multidisciplinaire en hydrodynamique, physique nucléaire, physique des neutrinos et en Relativité Générale, et en techniques numériques associées à chacun des ces domaines. Chaque simulation numérique nécessite des approximations judicieuses pour que le temps de calcul soit accessible aux supercalculateurs actuels.La formation d'un trou noir en Relativité Générale nécessite la résolution numérique des équations d'Einstein selon un schéma robuste. Les difficultés techniques associées à l'excision de la singularité centrale et l'extraction des ondes gravitationnelles sont bien connues du groupe de relativité numérique du LUTh. Le code CoCoNut sera développé par ce groupe, en bénéficiant des apports des groupes de l'IRFU pour la maîtrise des processus hydrodynamiques et de l'IPN Orsay pour la microphysique.La complexité des phénomènes hydrodynamiques associés aux instabilités telles que SASI et la convection suggère une forte dépendance du mécanisme d'explosion vis à vis des paramètres initiaux tels que la masse du progéniteur, sa composition, et sa vitesse de rotation. Pour savoir extrapoler les résultats d'une simulation pour d'autres valeurs des paramètres initiaux, le projet SN2NS réuni deux approches parallèles: l'une orientée vers la résolution directe de modèles globaux, l'autre concentrée sur la résolution de sous-problèmes, visant à faciliter l'interprétation des modèles globaux. C'est une spécificité de l'équipe de l'IRFU SAp, développée au cours de sa collaboration avec le MPA Garching.Les incertitudes théoriques concernant la microphysique sont actuellement un obstacle pour estimer la robustesse d'un mécanisme d'explosion. L'amélioration de l'équation d'état et des taux de réaction par des physiciens nucléaires de l'IPN et du LUTh constitue une force du projet SN2NS.
Résumé de la soumission : Le projet SN2NS réunit les expertises de trois groupes à l'IRFU (Saclay), l'IPN (Orsay) et au LUTh (Meudon), afin de développer un outil numérique pour simuler et comprendre l'effondrement du cœur des étoiles massives à la fin de leur vie, si leur masse excède 9 masses solaires. La première seconde de l'effondrement détermine à la fois le seuil de l'explosion en supernova, et les conditions de naissance des étoiles à neutrons et des trous noirs.Cet effondrement gravitationnel est décrit par la physique nucléaire, la physique des neutrinos, l'hydrodynamique multidimensionnelle et la relativité générale. L'approche numérique de ce problème a été dominée, depuis 15 ans, par la compétition de 6 groupes aux USA, en Allemagne, en Suisse et au Japon. Le projet SN2NS est la première initiative Française dans cette direction.Les progrès récents sont consécutifs à la découverte de la nature asymétrique de l'explosion, liée aux instabilités à grande échelle qui brisent la symétrie sphérique. Le groupe de l'IRFU/SAp (T. Foglizzo) a joué un rôle moteur en découvrant le mécanisme advectif-acoustique de l'instabilité dominante. Ils ont aussi établi une collaboration fructueuse avec le groupe Allemand du MPA-Garching. Dans la continuité du projet Vortexplosion financé par l'ANR, le projet SN2NS révèlera la topologie globale de l'effondrement, axisymétrique 2D ou spirale 3D, en fonction de la masse et de la rotation du progéniteur. Les conséquences observables sont le seuil d'explosion de la supernova, la masse, la quantité de mouvement et le moment cinétique de l'étoile à neutrons ou du trou noir résiduel, et la signature en ondes gravitationnelles.Les physiciens nucléaires impliqués à l'IPN (J. Margueron, E. Kahn) et au LUTh (M. Oertel) développeront une équation d'état adaptée aux fortes températures de la formation des trous noirs, améliorant ainsi les équations d'état de Lattimer & Swesty (1991) et de Shen et al. (1998). Pour la première fois, les taux de réaction et l'équation d'état seront calculés de façon consistante, en caractérisant l'interaction nucléaire par ses propriétés à la densité de saturation. L'expertise du groupe de relativité numérique du LUTh (J. Novak, E. Gourgoulhon) sera cruciale pour pouvoir caractériser le seuil entre la formation d'une étoile à neutrons et celle d'un trou noir. Le code de relativité générale "CoCoNuT" sera amélioré par l'implémentation d'une équation d'état et de prescriptions évolutives pour le transport des neutrinos. Le code RAMSES et une version Newtonienne de CoCoNuT seront utilisés à l'IRFU pour simuler l'accrétion stationnaire et caractériser l'évolution 3D du choc.L'approximation numérique du transport des neutrinos sera choisie suffisamment simple pour pouvoir couvrir l'espace des paramètres pendant la durée du projet, notamment la masse du progéniteur et son taux de rotation. En regard des autres équipes dans le monde, l'originalité principale du projet SN2NS vient i) de la complémentarité des outils analytiques et numériques pour comprendre les phénomènes hydrodynamiques 3D, ii) de la modélisation des explosions de supernova incluant la formation d'un trou noir, et iii) la collaboration avec des physiciens nucléaires pour un traitement moderne de l'équation d'état. De plus, ce projet continuera à bénéficier de l'expérience de notre collaborateur T. Janka au MPA.Le financement ANR du projet SN2NS comprend 3 postdocs à l'IRFU, au LUTh et à l'IPN, et l'encadrement d'un thésard au LUTh. Des réunions mensuelles seront organisées ainsi qu'un workshop international en 2013. Les interactions scientifiques avec les experts mondiaux seront stimulées par des visites régulières dans les instituts d'excellence, et par des invitations à venir séjourner dans nos instituts.Des techniques avancées de visualisation des simulations multidimensionnelles aideront à la valorisation des résultats du projet, vis à vis de la communauté scientifique ainsi que du grand public.
Résultats : Les premières publications du projet SN2NS ont clarifié le rôle des hyperons dans l'équation d'état de la matière pendant l'effondrement du coeur de l'étoile. Un analogue hydraulique des phénomènes hydrodynamiques a été développé et breveté: ce dispositif expérimental constitue un outil complémentaire des simulations numériques pour la compréhension du caractère asymétrique de l'explosion des supernovae.
Perspectives : Sur le plan technique, la mise au point d'un outil de calcul numérique permettant de décrire l'effondrement gravitationnel du cœur d'une étoile massive sera une première en France. Sur le plan scientifique, le projet SN2NS produira une nouvelle équation d'état et des taux de réaction que la communauté scientifique pourra utiliser. L'interprétation des simulations numériques clarifiera les conditions de naissance des étoiles à neutrons et trous noirs en caractérisant leur masse, leur quantité de mouvement, leur moment cinétique, en fonction de la masse et du moment cinétique de leur progéniteur. Ces prédictions théoriques pourront être confrontées aux observations des trous noirs et étoiles à neutrons. 
Le développement de l'expérience SWASI (Foglizzo et al. 2012) va donner lieu à la construction de deux nouveaux prototypes à l'IRFU en 2013: le premier est un instrument scientifique. Il a pour vocation d'être un outil de recherche expérimental, complémentaire des simulations numériques. Le second est simplifié autant que possible afin d'en diminuer le coût, et d'être distribué le plus largement possible pour la diffusion des connaissances dans les universités et musées des sciences.
Publications et brevets : Fin juin 2013, le projet SN2NS a déjà produit 17 publications dans des revues internationales à comité de lecture: PRL, MNRAS, Phys Rev C, Europhysics Letters, A&A, ainsi qu'une thèse de doctorat (B. Peres).
Un brevet a été déposé pour un dispositif de création de ressaut hydraulique analogue au choc de supernova.