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Les jets de plasma ont des choses à nous apprendre sur les trous noirs

Crédits : tpsdave / Pixabay

Au cours des 100 dernières années, la connaissance des trous noirs a considérablement progressé. Plus particulièrement, ces derniers sont parfois à l’origine de jets de massifs de particules chargées projetés sur des millions d’années-lumière. Grâce à un supercalculateur, les chercheurs ont pu démontrer que ces jets changeaient lentement de direction dans le ciel.

Des années durant, les astronomes ont cherché à comprendre le phénomène des jets relativistes – ainsi nommés parce qu’ils propulsent des particules chargées à une fraction de la vitesse de la lumière. Une étude récente menée par une équipe internationale de chercheurs permet néanmoins d’en savoir un peu plus. Conformément à la relativité générale, ils ont montré que ces jets progressaient graduellement – en d’autres termes, pouvaient changer de direction – en raison de l’entraînement de l’espace-temps dans la rotation du trou noir.

Les scientifiques se sont pour cette étude appuyés sur des simulations faites grâce au supercalculateur Blue Waters de l’Université de l’Illinois. Ces simulations sont ici les premières à modéliser le comportement des jets relativistes issus des trous noirs supermassifs. « 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 est tout à fait crucial », explique Alexander Tchekhovskoy, de l’Université de Northwestern (États-Unis) avant d’ajouter que « les superordinateurs nous permettent aujourd’hui de trouver des réponses ».

À l’instar de tous les trous noirs supermassifs, les trous noirs à rotation rapide happent régulièrement de la matière. Celle-ci, de par la rotation de l’objet, forme alors un disque rotatif autour du trou noir appelé un disque d’accrétion. Ce dernier est caractérisé par des lignes de gaz et de champs magnétiques chaudes et excitées. Et c’est précisément la présence de ces lignes qui permet aux trous noirs de propulser de l’énergie sous la forme de ces jets. La grandeur de ces jets fait également qu’ils sont plus faciles à observer par les astronomes que les trous noirs eux-mêmes. Selon le comportement de ces jets ou encore la rotation des trous noirs, il est ainsi plus facile de définir l’orientation et la taille de leurs disques rotatifs.

Les trous noirs étant de manière générale très éloignés et difficilement observables à la lumière visible, les scientifiques doivent mettre en place des simulations informatiques plus poussées pour les étudier. Avec ce supercalculateur Blue Waters à leur disposition, l’équipe a pu construire le premier code de simulation de trous noirs, qu’ils ont accéléré à l’aide de processeurs graphiques (GPU). Grâce à cette combinaison, l’équipe a pu réaliser des simulations ayant le plus haut niveau de résolution jamais atteint, soit près d’un milliard de cellules de calcul.

« La haute résolution nous a permis, pour la première fois, de nous assurer que les mouvements turbulents des disques à petite échelle sont capturés avec précision dans nos modèles. À notre grande surprise, ces mouvements se sont avérés si forts qu’ils ont fait grossir le disque et en on fait stopper la précession. Cela suggère que la précession peut se produire en rafales », explique Alexander Tchekhovskoy. La précession (ou le changement de direction) des jets relativistes pourrait alors expliquer pourquoi des fluctuations de la lumière ont été observées dans le passé autour des trous noirs – connues sous le nom d’oscillations quasi périodiques.

De l’étude purement théorique à l’étude indirecte des effets des trous noirs sur la matière environnante, en passant par l’étude des ondes gravitationnelles, plus le temps passe et plus nous en apprenons sur ces objets qui figurent parmi les plus étranges de l’Univers. Qui sait, peut être qu’un jour nous serons en mesure de les observer directement ?

Vous retrouverez tous les détails de cette étude dans les Monthly Notices de la Royal Astronomical Society.

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