I10 : De l’évolution des binaires à la fusion d’objets compacts

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  • Plus de 70% des étoiles massives expérimentent une interaction binaire au moins une fois dans leur vie (Sana et al., 2012). Au cours de leur évolution, l’une des étoiles devient d’abord un objet compact (naine blanche, étoile à neutron ou trou noir) et, si elle est assez proche, attire la matière de son compagnon. Les étoiles échangent ainsi de la matière et du moment angulaire, à travers un processus énergétique appelé accrétion: elles deviennent alors des binaires compactes (Chaty 2013). Une telle paire d’étoiles massives évolue finalement vers la fusion de deux objets compacts. Ce phénomène, qui a conduit à l’émission d’ondes gravitationnelles, a été magnifiquement révélé le 14 septembre 2015 par la collaboration LIGO, résultant de la fusion de deux trous noirs massifs de masse stellaire de ~ 30 masses solaires (Abbott et al 2016ab). Les deux fortes détections d’ondes gravitationnelles déjà annoncées constituent probablement la partie visible de l’iceberg: en effet, des binaires proches existent partout dans notre Univers et devraient être détectées lorsqu’elles fusionnent et émettent des ondes gravitationnelles!

    La plupart des modèles évolutifs de systèmes binaires stellaires sont basés sur l’évolution couplée de deux étoiles isolées. Cependant, ces modèles évolutifs sont incomplets: bien que nous ne comprenions pas complètement les mécanismes régissant l’évolution stellaire, nous en savons encore moins sur les processus physiques se produisant dans des systèmes binaires proches, où les deux étoiles échangent matière et moment cinétique. Tout d’abord, la phase d’enveloppe commune, qui se produit très tôt dans l’évolution d’une binaire compacte, est à la fois au niveau de la théorie et de l’observation très inconnue. Deuxièmement, le « kick » natal reçu lors de l’événement de supernova n’est pas contraint, en particulier pour les trous noirs. Enfin, la métallicité joue un rôle important dans la force des vents stellaires, ce qui peut faire perdre beaucoup de masse à l’étoile. Par conséquent, vu que l’évolution des binaires vers la fusion n’est pas entièrement comprise, les modèles actuels de synthèse des population des systèmes binaires dans les galaxies ont un degré élevé d’incertitude, ce qui implique que la recherche pour identifier les progéniteurs des fusions est imparfaite.

    Dans ce projet d’interface entre AIM et APC, nous proposons d’aborder ce problème en calculant l’évolution de la population actuelle de binaires compactes connues dans notre Galaxie, en utilisant de nouvelles données obtenues à partir du satellite Gaia, qui révolutionne le domaine de l’astrométrie en fournissant une vision totalement nouvelle à 6D (position et vitesse) de notre galaxie. Ensuite, en comparant les dernières étapes évolutives des astres compacts avec les prédictions des modèles actuels de synthèse de population, nous serons en mesure de limiter les trois plus grandes incertitudes de ces modèles: la phase d’enveloppe commune, le « kick » natal et la métallicité. Nous projetons ensuite d’extrapoler nos résultats dans des environnements galactiques à faible métallicité, en calculant des modèles de synthèse de population actualisés, afin d’améliorer les taux prévus de fusions d’astres compacts et donc de détections d’onde gravitationnelle. En bref, «les binaires d’hier sont les ondes gravitationnelles d’aujourd’hui»!

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    POSITION NOM LABORATOIRE GRADE, EMPLOYEUR
    WP leader CHATY Sylvain AIM PR, Université Paris Diderot, USPC
    WP co-leader PORTER Edward APC DR, CNRS
    WP member CHASSANDE-MOTTIN Eric APC CR, CNRS
    WP member COLEIRO Alexis APC Post-doc
    WP member FOGLIZZO Thierry AIM IR, CEA
    WP member FORTIN Francis AIM PhD, Ecole Doctorale ED 560
    WP member MARSHALL Douglas AIM MCF, Université Paris Diderot, USPC
    WP member MIRABEL Felix AIM IR, CEA

     

     

     

  • Le but du projet est de révéler divers aspects de l’évolution des systèmes binaires hébergeant des trous noirs et des étoiles à neutrons, afin de caractériser les progéniteurs de fusion qui sont les émetteurs potentiels d’ondes gravitationnelles. Le projet comprend des observations multi-longueurs d’onde pour contraindre la métallicité des systèmes binaires, la modélisation de l’évolution des binaires, l’utilisation de modèles de synthèse de population et la prédiction des taux de fusion dans divers environnements.

    Depuis le début de son contrat en Septembre 2017, Federico Garcia a déjà regardé le catalogue Gaia qui correspond à la 1ère version, et il a constaté que près de 30 binaires accréteurs sont présents dans ce catalogue, avec une position et un mouvement précis. Il a commencé à travailler sur la production d’un catalogue de binaires d’accrétion.

    Résumé des tâches de notre projet :

    • construire un catalogue 6D de binaires compacts connus, en tenant compte des nouveaux paramètres d’observation obtenus avec le satellite Gaia : position et vitesse, ainsi que distance, mouvement propre, type spectral ;
    • calculer l’évolution des binaires accréteurs connus dans notre Galaxie, pour lesquels nous avons suffisamment de paramètres, à travers le canal d’évolution binaire classique isolé (en utilisant le code public MESA ou StarTrack privé) ;
    • comparer l’évolution précise de ces binaires avec les résultats actuels des modèles de synthèse de population, afin de mieux contraindre les 3 paramètres les plus incertains : phase d’enveloppe commune, coup de pied natal, métallicité ;
    • extrapoler à partir de ce modèle, avec des paramètres mieux contraints, pour calculer la population de systèmes binaires présents dans les environnements à faible teneur en métaux, à l’aide du modèle d’évolution en étoile binaire (ESB) ;

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    A venir !

     

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