Des simulations révolutionnaires révèlent comment les trous noirs brillent intensément

Étonnamment, certains des objets les plus brillants de l’univers sont des trous noirs. Alors que des gaz et des poussières brûlants circulent autour et tombent dans un trou noir, ils brillent avec une intensité féroce à travers tout le spectre lumineux. Aujourd’hui, une équipe d’astrophysiciens computationnels a développé les simulations les plus complètes jamais réalisées sur la façon dont les trous noirs créent ces spectacles lumineux éblouissants.

En utilisant des supercalculateurs, les chercheurs ont calculé le comportement de la matière filant autour des trous noirs. Contrairement à toutes les études précédentes qui reposaient sur des approximations simplificatrices, les chercheurs ont utilisé un traitement complet de la façon dont la lumière se déplace et interagit avec la matière dans le cadre de la relativité générale d’Albert Einstein.

Leurs résultats pourraient aider à expliquer les centaines d’objets étranges et faiblement lumineux connus sous le nom de petits points rouges (LRDs) repérés dans l’univers primitif par le télescope spatial James Webb. Une théorie principale, soutenue par les nouveaux résultats, propose que ces points sont des trous noirs qui consomment de la matière via un processus appelé ‘accrétion super-Eddington’ au cœur des galaxies primordiales.

Les chercheurs présentent leurs simulations révolutionnaires dans un article publié le 3 décembre dans The Astrophysical Journal.

« C’est la première fois que nous pouvons observer ce qui se passe lorsque les processus physiques les plus importants de l’accrétion des trous noirs sont inclus avec précision, déclare Lizhong Zhang, auteur principal de l’étude et chercheur au Flatiron Institute de la Simons Foundation à New York. Toute hypothèse trop simplificatrice peut complètement changer le résultat. Ce qui est le plus excitant, c’est que nos simulations reproduisent désormais des comportements remarquablement cohérents à travers les systèmes de trous noirs observés dans le ciel, des sources ultralumineuses en rayons X aux binaires X. En un sens, nous avons réussi à ‘observer’ ces systèmes non pas à travers un télescope, mais à travers un ordinateur. »

Zhang est chercheur postdoctoral conjoint à l’Institute for Advanced Study (IAS) à Princeton, dans le New Jersey, et au Center for Computational Astrophysics (CCA) du Flatiron Institute. Zhang a co-écrit la nouvelle étude avec des collaborateurs de l’IAS, du CCA, du Los Alamos National Laboratory et de l’Université de Virginie. L’étude est la première d’une série d’articles qui présenteront la nouvelle approche computationnelle de l’équipe et ses applications à plusieurs classes de systèmes de trous noirs.

En raison de leur gravité extrême, aucun modèle de trous noirs ne serait considéré comme complet sans l’intégration de la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui décrit comment les corps les plus massifs déforment le tissu de l’espace-temps. Cette distorsion de l’espace-temps façonne la façon dont la lumière créée par la matière en chute se déplace et interagit avec la matière environnante.

Ces équations complètes de la relativité générale sont difficiles à résoudre, même pour des ordinateurs puissants. Les simulations précédentes prenaient des raccourcis en simplifiant les calculs du rayonnement. « Les méthodes précédentes utilisaient des approximations qui traitent le rayonnement comme une sorte de fluide, ce qui ne reflète pas son comportement réel », précise Zhang.

En combinant les connaissances acquises au cours de décennies de travail, l’équipe a développé de nouveaux algorithmes capables de résoudre directement les équations sans sacrifier la précision ou nécessiter des quantités déraisonnables de puissance de calcul. « Le nôtre est le seul algorithme existant à ce jour qui fournit une solution en traitant le rayonnement tel qu’il est réellement en relativité générale », affirme Zhang.

Leur article traite de l’accrétion sur les trous noirs de masse stellaire, qui ont environ 10 fois la masse du soleil, bien que relativement légers par rapport à Sagittarius A*, le trou noir supermassif au centre de notre galaxie, dont la masse est plus de 4 millions de fois celle de notre soleil.

Les simulations sont essentielles pour comprendre les trous noirs de masse stellaire. Alors que des images haute résolution ont été produites de trous noirs supermassifs, ceux de masse stellaire ne peuvent pas être observés de la même manière, n’apparaissant que comme des points de lumière. Au lieu de cela, les chercheurs doivent convertir la lumière en un spectre, ce qui fournit les données pour cartographier la distribution d’énergie autour d’un trou noir. Comparés aux trous noirs supermassifs, qui évoluent sur des années voire des siècles, les trous noirs de masse stellaire changent à des échelles de temps humaines, de quelques minutes à quelques heures, ce qui les rend idéaux pour étudier l’évolution de ces systèmes en temps réel.

Grâce à leurs simulations, les chercheurs ont capturé comment la matière se comporte lorsqu’elle spiralise vers les trous noirs de masse stellaire, formant des disques turbulents dominés par le rayonnement, lançant des vents puissants et produisant parfois même des jets puissants. L’équipe a constaté que son modèle correspondait remarquablement bien au spectre lumineux obtenu à partir des données d’observation. Cet accord entre la simulation et l’observation est crucial, permettant d’améliorer l’interprétation des données limitées disponibles pour ces objets distants.

Zhang et son équipe de recherche ont obtenu l’accès à deux des supercalculateurs les plus puissants au monde, Frontier et Aurora, hébergés respectivement au Oak Ridge National Laboratory et au Argonne National Laboratory, pour modéliser l’accrétion des trous noirs. Ces ordinateurs ‘exascale’ sont capables d’effectuer un quintillion d’opérations par seconde.

Même avec toute cette puissance de calcul, les chercheurs avaient encore besoin d’un code intelligent et de mathématiques complexes pour obtenir des résultats précis. Christopher White du CCA et de l’Université de Princeton a dirigé la conception de l’algorithme de transport du rayonnement. Patrick Mullen du Los Alamos National Laboratory a supervisé l’implémentation de l’algorithme dans un code optimisé pour le calcul exascale. Les simulations ont été construites sur la base d’un algorithme développé par Yan-Fei Jiang du CCA qui combine un algorithme dépendant de l’angle qui suit la façon dont le rayonnement interagit et se déplace avec un modèle de la façon dont un fluide s’écoule autour d’une sphère en rotation en présence d’un champ magnétique fort. (Le travail de Jiang est désormais largement utilisé dans toute la communauté astrophysique pour des objets tels que les trous noirs et les étoiles massives.)

À l’avenir, l’équipe derrière les nouvelles simulations s’efforcera de déterminer si le modèle s’applique à tous les types de trous noirs. En plus des trous noirs de masse stellaire, leurs simulations pourraient améliorer la compréhension des trous noirs supermassifs, qui pilotent l’évolution des galaxies, ainsi que d’étudier plus avant l’identité des petits points rouges du télescope spatial James Webb. Les simulations indiquent que ces objets pourraient produire plus de lumière que la limite d’Eddington — un équilibre entre la force gravitationnelle attirant la matière vers l’intérieur et la pression extérieure du rayonnement libéré par la matière en chute, en supposant un flux sphérique parfait. Dans ce cas, les trous noirs rayonnent plus d’énergie que ce que l’attraction gravitationnelle vers l’intérieur peut équilibrer.

L’équipe continuera à faire évoluer son approche pour tenir compte des différentes façons dont le rayonnement interagit avec la matière sur une large gamme de températures et de densités.

« Maintenant, la tâche est de comprendre toute la science qui en découle, conclut James Stone, professeur à l’IAS et co-auteur du nouvel article.

À propos du Flatiron Institute

Le Flatiron Institute est la division de recherche de la Simons Foundation. La mission de l’institut est de faire progresser la recherche scientifique par des méthodes computationnelles, y compris l’analyse de données, la théorie, la modélisation et la simulation. Le Center for Computational Astrophysics de l’institut crée de nouveaux cadres computationnels qui permettent aux scientifiques d’analyser de grands ensembles de données astronomiques et de comprendre la physique complexe et multi-échelles dans un contexte cosmologique.

Article : Radiation GRMHD Models of Accretion onto Stellar-Mass Black Holes: I. Survey of Eddington Ratios – Journal : The Astrophysical Journal – DOI : 10.3847/1538-4357/ae0f91

Source : Fondation Simons