Des astronomes de l’Université d’Amsterdam ont utilisé des simulations informatiques avancées pour démontrer comment un trou noir en rotation rapide émet de l’énergie sous forme de jets relativistes lorsqu’il engloutit de la matière.
Grâce à une méthode de calcul révolutionnaire et ultra-rapide, ils ont prouvé pour la première fois que ces jets peuvent modifier régulièrement leur direction (inclinaison) lorsque l’espace-temps est entraîné par la rotation du trou noir. Ces résultats ont été acceptés pour publication dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Les trous noirs en rotation rapide projettent de la matière à une vitesse proche de celle de la lumière. La matière tourbillonnante autour du trou noir est entrelacée de champs magnétiques. Le trou noir entraîne l’espace-temps courbé, enveloppant ces champs et formant un tube de lancement d’où émergent les jets relativistes.
Le disque d’accrétion autour d’un trou noir tourne souvent sur un axe différent. L’effet de traînée fait basculer ce disque vers l’axe de rotation du trou noir, provoquant une précession. L’inclinaison des jets avec le disque explique les fluctuations d’intensité de la lumière infrarouge près des trous noirs (« oscillations quasi-périodiques » ou QPO), similaires au balayage d’un phare. Les QPO ont été découverts en 1985 près de trous noirs (sous forme de rayons X) par Michiel van der Klis, co-auteur de l’étude.
Les simulations 3D antérieures de l’environnement d’un trou noir en rotation rapide exigeaient une puissance de calcul énorme en raison des effets à petite échelle (turbulence magnétique) et grande échelle (jets), plus les subtilités de la relativité générale d’Einstein. Matthew Liska, doctorant sous la supervision de van der Klis, a développé un nouveau code de simulation trois fois plus rapide au cours des trois dernières années.
« En utilisant le supercalculateur américain Blue Waters, nous avons atteint une résolution inédite, jusqu’à 1 milliard de pixels. » Matthew Liska
Avec Blue Waters, équipé de milliers de cartes graphiques issues du gaming, une résolution exceptionnelle a été obtenue. « Chacune contient des milliers de cœurs de calcul. Le défi est de les exploiter efficacement et de les faire communiquer », explique Liska. Casper Hesp (master en astronomie et neurosciences à l’Uva) a transformé les simulations en images montrant clairement le changement de direction des jets.
Ces résultats éclairent les recherches mondiales sur les trous noirs en rotation, notamment les fusions de trous noirs binaires et l’avalement d’étoiles par des trous noirs supermassifs.
« Nous vérifions si les prédictions d’Einstein restent valides dans l’extrême gravité près d’un trou noir en rotation. » Sera Markoff
Les calculs aideront à interpréter les images du télescope Event Horizon (EHT), qui photographie le trou noir supermassif au centre de la Voie lactée. Sera Markoff, superviseur de Hesp et membre du conseil scientifique de l’EHT, ajoute : « Ces simulations lient théorie et observations pour tester Einstein dans ces conditions extrêmes. »
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