Les trous noirs sont l'une des forces les plus impressionnantes et mystérieuses de l'Univers. Initialement prédits par la théorie de la relativité générale d'Einstein, ces points dans l'espace-temps se forment lorsque des étoiles massives subissent un effondrement gravitationnel à la fin de leur vie. Malgré des décennies d’étude et d’observation, il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas sur ce phénomène.
Par exemple, les scientifiques sont encore largement dans l'ignorance du comportement de la matière qui tombe en orbite autour d'un trou noir et qui y est progressivement alimentée (disques d'accrétion). Grâce à une étude récente, où une équipe internationale de chercheurs a réalisé les simulations les plus détaillées d'un trou noir à ce jour, un certain nombre de prédictions théoriques concernant les disques d'accrétion ont finalement été validées.
L’équipe était composée d’astrophysiciens informaticiens de l’Institut Anton Pannekoek d’astronomie de l’Université d’Amsterdam, du Center for Interdisciplinary Exploration & Research in Astrophysics (CIERA) de l’Université d’Amsterdam et de l’Université d’Oxford. Leurs résultats de recherche ont été publiés dans le numéro du 5 juin du Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
Parmi leurs découvertes, l'équipe a confirmé une théorie initialement présentée en 1975 par James Bardeen et Jacobus Petterson, qui est maintenant connue sous le nom d'effet Bardeen-Petterson. Conformément à cette théorie, l'équipe a constaté que, bien que la région extérieure d'un disque d'accrétion reste inclinée, la région intérieure du disque s'alignera sur l'équateur de son trou noir.
Pour le dire simplement, à peu près tout ce que les chercheurs savent sur les trous noirs a été appris en étudiant les disques d'accrétion. Sans ces anneaux lumineux de gaz et de poussière, il est peu probable que les scientifiques soient capables de localiser les trous noirs. De plus, la croissance et la vitesse de rotation d'un trou noir dépendent également de son disque d'accrétion, ce qui rend leur étude essentielle pour comprendre l'évolution et le comportement des trous noirs.
Comme Alexander Tchekhovskoy, un
Depuis que Bardeen et Petterson ont proposé leur théorie, les simulations de trous noirs ont souffert d'un certain nombre de problèmes qui les ont empêchés de déterminer si cet alignement a lieu. Tout d'abord, lorsque les disques d'accrétion approchent de l'Horizon des événements, ils accélèrent à des vitesses énormes et se déplacent à travers des régions déformées de l'espace-temps.
Un deuxième problème qui complique encore les choses est le fait que la rotation d'un trou noir force l'espace-temps à tourner autour de lui. Ces deux problèmes nécessitent que les astrophysiciens tiennent compte des effets de la relativité générale, mais il reste le problème de la turbulence magnétique. Cette turbulence amène les particules du disque à se maintenir ensemble dans une forme circulaire et
Jusqu'à présent, les astrophysiciens n'avaient pas la puissance de calcul pour expliquer tout cela. Pour développer un code robuste capable de réaliser des simulations tenant compte des GR et de la turbulence magnétique, l'équipe a développé un code basé sur des unités de traitement graphique (GPU). Par rapport aux unités centrales de traitement (CPU) conventionnelles, les GPU sont beaucoup plus efficaces pour le traitement d'image et les algorithmes de calcul qui traitent de grandes étendues de données.
L'équipe a également intégré une méthode appelée raffinement de maillage adaptatif, qui économise de l'énergie en se concentrant uniquement sur des blocs spécifiques où le mouvement se produit et s'adapte en conséquence. Pour illustrer la différence, Tchekhovskoy a comparé les GPU et
"Disons que vous devez emménager dans un nouvel appartement. Vous devrez faire beaucoup de voyages avec cette puissante Ferrari car elle ne conviendra pas à de nombreuses boîtes. Mais si vous pouviez mettre une boîte sur chaque cheval, vous pourriez tout déplacer en une seule fois. C’est le GPU. Il a beaucoup d'éléments, chacun étant plus lent que ceux du CPU, mais il y en a tellement. »
Enfin et surtout, l'équipe a effectué sa simulation à l'aide des superordinateurs Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications (NCSA) de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Ce qu'ils ont découvert, c'est que tandis que la région extérieure d'un disque peut être carrelée, la région intérieure sera alignée avec l'équateur du trou noir et une chaîne lisse les reliera.
En plus de clore un débat de longue date sur les trous noirs et leurs disques d'accrétion, cette étude montre également que l'astrophysique a beaucoup progressé depuis l'époque de Bardeen et Petterson. Comme l'a résumé Matthew Liska, un chercheur:
«Ces simulations non seulement résolvent un problème vieux de 40 ans, mais elles ont démontré que, contrairement à la pensée habituelle, il est possible de simuler les disques d'accrétion les plus lumineux en toute relativité générale. Cela ouvre la voie à une prochaine génération de simulations qui, je l'espère, résoudront des problèmes encore plus importants concernant les disques d'accrétion lumineux. »
L'équipe a résolu le mystère de longue date de l'effet Bardeen-Petterson en amincissant le disque d'accrétion à un degré sans précédent et en tenant compte des turbulences magnétisées qui provoquent l'accrétion du disque. Les simulations précédentes ont fait une simplification substantielle en se contentant d'approximer les effets de la turbulence.
De plus, les simulations précédentes fonctionnaient avec des disques amincis qui avaient un rapport hauteur / rayon minimum de 0,05, tandis que les effets les plus intéressants vus par Tchekhovskoy et ses collègues se sont produits une fois le disque aminci à 0,03. À leur grande surprise, l'équipe a découvert que même avec des disques d'accrétion incroyablement minces, le trou noir émettait toujours des jets de particules et de rayonnement à une partie de la vitesse de la lumière (aka. Jets relativistes).
Comme Tchekhovskoy l'a expliqué, c'était une découverte plutôt inattendue:
«Personne ne s'attendait à ce que des jets soient produits par ces disques à de si faibles épaisseurs. Les gens s'attendaient à ce que les champs magnétiques qui produisent ces jets traversent ces disques vraiment minces. Mais ils sont là. Et cela nous aide en fait à résoudre les mystères d'observation. »
Avec toutes les découvertes récentes des astrophysiciens concernant les trous noirs et leurs disques d'accrétion, vous pourriez dire que nous vivons dans le deuxième «âge d'or de la relativité». Et il ne serait pas exagéré de dire que les retombées scientifiques de toutes ces recherches pourraient être immenses. En comprenant comment la matière se comporte dans les conditions les plus extrêmes, nous nous rapprochons de plus en plus de la manière dont les forces fondamentales de l'Univers s'emboîtent.
