Le royaume des ombres au bord d’un trou noir simulé pour la première fois

Le Télescope de l’horizon des événements (EHT) s’est fait connaître dans le monde entier en 2019 en dévoilant la toute première image d’un trou noir. Cette prouesse a été rendue possible grâce à l’interférométrie à très longue base (VLBI), une méthode où plusieurs instruments collectent la lumière afin de recomposer une vue complète de l’apparence d’un objet.

L’image en question représentait le trou noir supermassif (SMBH) situé au centre de Messier 87, une galaxie géante à 55 millions d’années-lumière de la Terre. Par la suite, l’EHT a également publié des images des jets relativistes jaillissant de deux galaxies très lumineuses, ainsi que de Sagittarius A*, le SMBH au cœur de la Voie lactée.

En parallèle, les scientifiques de la collaboration EHT s’appuient sur des simulations réalisées sur supercalculateurs pour affiner leur compréhension de la région située au-delà de la limite externe des trous noirs (autrement dit l’horizon des événements).

Simulations EHT du trou noir supermassif (SMBH) de M87

Parmi ces chercheurs figure l’équipe dirigée par Andrew Chael, chercheur associé à l’Université de Princeton et membre du Princeton Gravity Initiative. Avec son groupe, il a effectué des simulations du SMBH de M87 en utilisant les supercalculateurs Stampede2 et Stampede3 du Centre texan de calcul avancé (TACC).

L’image obtenue (ci-dessus) illustre la manière dont la lumière émise par des électrons très chauds s’enroule juste au-delà de l’« ombre » du trou noir.

Le groupe de Chael fait partie des nombreuses équipes qui recourent à des simulations avancées pour reproduire la dynamique des ombres de trous noirs, en tenant compte du plasma à haute énergie, des champs magnétiques et d’une gravité intense. L’ensemble forme un système complexe : il permet aux trous noirs d’accréter la matière qui chute vers eux, d’émettre des quantités colossales de rayonnement et de générer des jets relativistes capables de s’étendre sur des millions d’années-lumière.

Un jeu de 11 simulations GRMHD et une modélisation plus fine des particules

Le travail repose sur 11 simulations de magnétohydrodynamique relativiste générale (GRMHD), une approche de dynamique des fluides destinée à simuler un plasma en interaction avec la gravité et les lignes de champ magnétique.

« Depuis que nous avons produit cette première image d’un trou noir, il y a eu énormément de travaux visant à comprendre l’environnement tout autour du trou noir », a déclaré Chael dans un communiqué de presse du TACC.

« Nous voulons comprendre la nature des particules de ce plasma que le trou noir est en train d’engloutir, ainsi que les détails des champs magnétiques mêlés au plasma qui, dans M87, déclenchent d’immenses jets lumineux de particules subatomiques. »

Depuis ses études de troisième cycle, Chael réalise des simulations en s’appuyant sur l’Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) et sur des ressources fournies par le programme ACCESS du TACC (écosystème de coordination d’une cyberinfrastructure avancée : services et assistance). Grâce à des progrès récents obtenus par son équipe avec son propre code, leurs simulations dépassent les modèles classiques qui traitent les protons et les électrons - bien qu’électriquement chargés - comme une seule entité.

« Cet article est une première tentative [d’]utiliser une technique plus avancée », a ajouté Chael, « plus coûteuse en calcul, pour modéliser directement ces espèces de particules distinctes que sont les électrons et les protons, afin de comprendre comment elles interagissent et, en particulier, quelle est la température relative des deux. »

Températures des électrons, anneau de photons et évolution de l’ombre

Leurs simulations indiquent que la température des électrons autour de M87 est bien plus élevée qu’on ne l’estimait auparavant, tout en restant environ 100 fois plus froide que celle des protons. Ce point compte, car les écarts de température entre les électrons et les protons influencent l’éclat et d’autres caractéristiques visibles sur l’image.

De ce fait, ces résultats mettent en évidence une tension fondamentale entre les modèles actuels de la physique des plasmas et les observations fournies par l’EHT. Pour la suite, Chael et son équipe prévoient d’appliquer leur code de simulation à davantage de données EHT sur M87, afin de produire un film retraçant son évolution au fil du temps.

Une étude menée par Chael et son équipe en janvier avait comparé l’image EHT du trou noir de M87 à un large éventail de simulations exécutées sur les supercalculateurs Stampede2 et Jetstream. Ces travaux ont montré que si la taille et la structure de l’« ombre » du SMBH restent cohérentes, elles peuvent néanmoins varier.

Ils ont également constaté que le point le plus lumineux de l’anneau de photons se déplace avec le temps, sous l’effet de processus chaotiques liés à des écoulements de plasma dynamiques à proximité de l’horizon des événements. À mesure que différentes régions du plasma se réchauffent puis se refroidissent, l’apparence du trou noir présente de légères modifications au fil du temps.

« Les trous noirs sont des environnements extrêmement compliqués. Les meilleurs outils dont nous disposons sont des simulations sur supercalculateurs. Il est incroyable d’avoir pu construire ces ordinateurs et ces codes qui nous permettent de créer des modèles précis de ce qui se passe dans une relation aussi étrange et complexe », a déclaré Chael.

« Les simulations nous donnent confiance dans le fait que nous prenons en compte tous ces effets, qui interagissent de manière compliquée et parfois imprévisible. »

Cet article a été publié à l’origine par Univers Aujourd’hui. Lire l’article original.