Les trous noirs ont été une source infinie de fascination depuis que la théorie de la relativité générale d'Einstein a prédit leur existence. Au cours des 100 dernières années, l'étude des trous noirs a considérablement progressé, mais la crainte et le mystère de ces objets demeurent. Par exemple, les scientifiques ont noté que dans certains cas, les trous noirs ont d'énormes jets de particules chargées qui en émanent et qui s'étendent sur des millions d'années-lumière.
Ces «jets relativistes» - ainsi nommés parce qu'ils propulsent des particules chargées à une fraction de la vitesse de la lumière - ont intrigué les astronomes pendant des années. Mais grâce à une étude récente menée par une équipe internationale de chercheurs, de nouvelles connaissances ont été acquises sur ces jets. Conformément à la relativité générale, les chercheurs ont montré que ces jets précèdent progressivement (c'est-à-dire changent de direction) en raison de l'espace-temps entraîné dans la rotation du trou noir.
Leur étude, intitulée «Formation de jets de précession par des disques à trous noirs inclinés dans des simulations MHD relativistes générales 3D», a récemment paru dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. L'équipe était composée de membres du Centre pour l'exploration et la recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA) de la Northwestern University.
Pour les besoins de leur étude, l'équipe a effectué des simulations à l'aide du supercalculateur Blue Waters à l'Université de l'Illinois. Les simulations qu'ils ont menées ont été les premières à modéliser le comportement de jets relativistes provenant de trous noirs supermassifs (SMBH). Avec près d'un milliard de cellules de calcul, il s'agissait également de la simulation à haute résolution d'un trou noir accrétant jamais réalisée.
Comme l’a expliqué Alexander Tchekhovskoy, professeur adjoint de physique et d’astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern, dans un récent communiqué de presse de Northwestern Now:
«Comprendre comment les trous noirs en rotation entraînent l'espace-temps autour d'eux et comment ce processus affecte ce que nous voyons à travers les télescopes reste un puzzle crucial et difficile à résoudre. Heureusement, les percées dans le développement de code et les sauts dans l'architecture des superordinateurs nous rapprochent de plus en plus de la recherche de réponses. »
Tout comme tous les trous noirs supermassifs, les SMBH à rotation rapide engloutissent régulièrement (alias. Accrete) la matière. Cependant, les trous noirs qui tournent rapidement sont également connus pour la façon dont ils émettent de l'énergie sous forme de jets relativistes. La matière qui alimente ces trous noirs forme un disque tournant autour d'eux - alias. un disque d'accrétion - qui se caractérise par des gaz chauds et excités et des lignes de champ magnétique.
C'est la présence de ces lignes de champ qui permet aux trous noirs de propulser l'énergie sous la forme de ces jets. Parce que ces jets sont si grands, ils sont plus faciles à étudier que les trous noirs eux-mêmes. Ce faisant, les astronomes sont capables de comprendre à quelle vitesse la direction de ces jets change, ce qui révèle des choses sur la rotation des trous noirs eux-mêmes - comme l'orientation et la taille de leurs disques rotatifs.
Des simulations informatiques avancées sont nécessaires lorsqu'il s'agit d'étudier les trous noirs, principalement parce qu'ils ne sont pas observables à la lumière visible et sont généralement très éloignés. Par exemple, le SMBH le plus proche de la Terre est le Sagittaire A *, qui est situé à environ 26 000 années-lumière au centre de notre galaxie. En tant que telles, les simulations sont le seul moyen de déterminer comment fonctionne un système très complexe comme un trou noir.
Dans les simulations précédentes, les scientifiques ont supposé que les disques des trous noirs étaient alignés. Cependant, la plupart des SMBH se sont avérés avoir des disques inclinés - c'est-à-dire que les disques tournent autour d'un axe séparé que le trou noir lui-même. Cette étude était donc fondamentale en ce qu'elle montrait comment les disques peuvent changer de direction par rapport à leur trou noir, conduisant à des jets de précession qui changent périodiquement de direction.
Cela était auparavant inconnu en raison de la quantité incroyable de puissance de calcul nécessaire pour construire des simulations 3D de la région entourant un trou noir en rotation rapide. Grâce au soutien d'une subvention de la National Science Foundation (NSF), l'équipe a pu y parvenir en utilisant Blue Waters, l'un des plus grands supercalculateurs au monde.
Avec ce supercalculateur à leur disposition, l'équipe a pu construire le premier code de simulation de trou noir, qu'ils ont accéléré à l'aide d'unités de traitement graphique (GPU). Grâce à cette combinaison, l'équipe a pu réaliser des simulations qui avaient le plus haut niveau de résolution jamais atteint - soit près d'un milliard de cellules de calcul. Comme Tchekhovskoy l'a expliqué:
«La haute résolution nous a permis, pour la première fois, de garantir que les mouvements de disques turbulents à petite échelle sont correctement capturés dans nos modèles. À notre grande surprise, ces mouvements se sont avérés si forts qu'ils ont fait grossir le disque et arrêter la précession du disque. Cela suggère que la précession peut se produire par à-coups. »
La précession des jets relativistes pourrait expliquer pourquoi des fluctuations lumineuses ont été observées dans le passé autour des trous noirs - qui sont connues sous le nom d'oscillations quasi-périodiques (QPO). Ces faisceaux, qui ont été découverts pour la première fois par Michiel van der Klis (l'un des co-auteurs de l'étude), fonctionnent à peu près de la même manière que les faisceaux d'un quasar, qui semblent avoir un effet stroboscopique.
Cette étude est l'une des nombreuses qui sont en cours sur les trous noirs en rotation dans le monde, dont le but est de mieux comprendre les découvertes récentes comme les ondes gravitationnelles, qui sont causées par la fusion des trous noirs. Ces études sont également appliquées aux observations du télescope Event Horizon, qui a capturé les premières images de l’ombre du Sagittaire A *. Ce qu'ils révéleront ne manquera pas d'exciter et d'étonner, et d'approfondir potentiellement le mystère des trous noirs.
Au cours du siècle dernier, l'étude des trous noirs a considérablement progressé - des études purement théoriques aux études indirectes de leurs effets sur la matière environnante, en passant par l'étude des ondes gravitationnelles elles-mêmes. Peut-être qu'un jour, nous pourrons peut-être les étudier directement ou (si ce n'est pas trop à espérer) regarder directement à l'intérieur!
