Mis à jour le 6 octobre 2025 à 18h15. Des chercheurs de l’Université Goethe de Francfort ont mis au point une simulation numérique sophistiquée qui permet de mieux comprendre la formation des puissants jets de matière émis par les trous noirs, révélant un rôle insoupçonné de la reconnexion magnétique.
- Une nouvelle simulation numérique permet de modéliser avec précision la formation des jets émis par les trous noirs.
- Outre le mécanisme de Blandford-Znajek, la reconnexion magnétique joue un rôle crucial dans l’extraction d’énergie des trous noirs.
- Les simulations, réalisées sur des supercalculateurs, ont révélé la formation de chaînes de plasmoïdes à proximité de l’horizon des événements.
Depuis près de deux siècles, le mystère planait sur un point lumineux situé au cœur de la galaxie M87, initialement décrit en 1781 par Charles Messier comme une « nébuleuse sans étoiles ». En 1918, les astronomes découvrirent un étrange rayon émanant de ce centre galactique, aujourd’hui identifié comme un jet de matière provenant du trou noir supermassif M87*, situé à environ 55 millions d’années-lumière de la Terre. Ces jets, observés également dans d’autres trous noirs, sont des phénomènes astrophysiques majeurs qui influencent l’évolution des galaxies.
Au cœur de la galaxie géante M87 se trouve le trou noir M87*, dont la masse équivaut à 6,5 milliards de fois celle du Soleil. Ce trou noir, en rotation rapide, propulse un faisceau de particules à une vitesse proche de celle de la lumière, s’étendant sur près de 5 000 années-lumière. L’équipe d’astrophysique de l’Université Goethe, dirigée par le professeur Luciano Rezzolla, a développé un code numérique baptisé « Francfort Particle-In-Cell code for Black hole spacetimes » (FPIC) pour étudier en détail les processus physiques à l’œuvre dans ces jets.
Les résultats de ces simulations complexes indiquent que, parallèlement au mécanisme de Blandford-Znajek – qui implique des champs magnétiques intenses – un autre processus contribue à l’extraction d’énergie du trou noir : la reconnexion magnétique. Ce phénomène se produit lorsque les lignes de champ magnétique se rompent et se reconnectent, libérant de l’énergie sous forme de chaleur, de rayonnement et de plasma.
Le code FPIC a permis de simuler l’évolution d’un grand nombre de particules chargées et de champs électromagnétiques extrêmes sous l’influence de la forte gravité du trou noir. Selon le Dr Claudio Meringolo, principal développeur du code,
« La simulation de ces processus est cruciale pour comprendre la dynamique complexe des plasmas relativistes dans l’espace courbe à proximité des objets compacts, qui sont déterminés par l’interaction des champs gravitationnels et magnétiques extrêmes. »
Dr. Claudio Meringolo
Ces simulations ont nécessité une puissance de calcul considérable, mobilisant des millions d’heures de processeur sur les supercalculateurs « Goethe » de Francfort et « Hawk » de Stuttgart. Cette puissance était indispensable pour résoudre les équations de Maxwell et les équations de la relativité générale d’Albert Einstein, décrivant le mouvement des électrons et des positrons.
Les calculs ont révélé la formation d’une chaîne de plasmoïdes – des sortes de « bulles » d’énergie condensée – au niveau équatorial du trou noir, résultant d’une activité intense de reconnexion magnétique. Ces plasmoïdes se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière. Les scientifiques estiment que ce processus est lié à la génération de particules dotées d’une énergie négative, contribuant ainsi à des phénomènes astrophysiques extrêmes tels que les jets et les éruptions de plasma.
Selon le Dr Filippo Camilloni, qui a également participé au développement du FPIC,
« Nos résultats ouvrent la possibilité fascinante que le mécanisme de Blandford-Znajek ne soit pas le seul processus astrophysique capable d’extraire l’énergie de rotation d’un trou noir, mais que la reconnexion magnétique y contribue également. »
Dr. Filippo Camilloni
Le professeur Rezzolla conclut :
« Avec notre travail, nous pouvons montrer comment l’énergie est extraite efficacement des trous noirs et canalisée en jets. De cette façon, nous pouvons contribuer à la compréhension des forces lumineuses extrêmes des noyaux actifs de galaxies et à l’accélération des particules jusqu’à presque la vitesse de la lumière. Il est incroyablement excitant et fascinant de pouvoir mieux comprendre ces phénomènes grâce à des codes numériques sophistiqués, et il est encore plus gratifiant de pouvoir expliquer les résultats de ces simulations complexes avec un traitement mathématique rigoureux. »
Professeur Luciano Rezzolla
Plus d’informations :
Dr. Luciano Rezzolla
Institut de physique théorique
Université Goethe de Francfort
Tél. : +49 (69) 798-47871
[email protected]
https://astro.uni-frankfurt.de/rezzolla/
Publication : Claudio Meringolo, Filippo Camilloni, Luciano Rezzolla : Extraction d’énergie électromagnétique à partir des trous noirs de Kerr : calculs AB-Initio. The Astrophysical Journal Letters (2025) https://doi.org/10.3847/2041-8213/AE06A6
Image : Une chaîne de plasmoïdes est créée au niveau équatorial le long de la couche de courant, où la densité partielle (partie gauche) est plus élevée. Ici, il y a une reconnexion magnétique qui accélère les particules à des énergies très élevées (à droite). Les particules atteignent également les vitesses relativistes le long de l’axe de rotation et forment enfin le jet, qui est entraîné par le mécanisme de Blandford-Znajek. Gris : lignes de champ magnétique.