Publié le 3 mai 2024. Une équipe internationale d’astrophysiciens a réalisé une avancée significative dans la compréhension des phénomènes lumineux émis par les trous noirs, grâce à des simulations informatiques de haute précision qui modélisent le comportement de la matière et de la lumière dans ces environnements extrêmes.
- Des simulations informatiques avancées permettent de modéliser avec précision le comportement de la matière et de la lumière à proximité des trous noirs.
- Cette recherche offre de nouvelles perspectives sur les phénomènes observés dans l’univers primitif et dans les systèmes à rayons X.
- Les résultats pourraient expliquer l’origine des « petits points rouges » détectés par le télescope spatial James Webb.
Comprendre comment les trous noirs génèrent des spectacles lumineux à partir de la matière qui les entoure a franchi une étape importante. Des chercheurs ont utilisé des superordinateurs de pointe pour simuler avec une précision inédite les interactions complexes entre la matière et le rayonnement dans le voisinage de ces objets célestes. Cette avancée ouvre de nouvelles voies pour l’étude de l’univers primitif et des systèmes émettant des rayons X.
L’étude, publiée dans The Astrophysical Journal, introduit une nouvelle approche informatique qui surmonte les limitations des travaux antérieurs en intégrant de manière rigoureuse la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. Cette méthode permet d’analyser l’interaction entre la lumière et la matière soumise à la gravité intense des trous noirs, sans recourir aux simplifications habituelles qui considèrent le rayonnement comme un simple fluide.
Selon Lizhong Zhang, auteur principal de l’étude et chercheur au Flatiron Institute de la Fondation Simons à New York,
« C’est la première fois que nous pouvons observer ce qui se passe lorsque les processus physiques les plus importants dans l’accrétion des trous noirs sont précisément inclus. »
L’équipe, qui comprend des collaborateurs de l’Institut d’études avancées (IAS) de Princeton, du Centre d’astrophysique computationnelle (CCA) du Flatiron Institute, du Laboratoire national de Los Alamos et de l’Université de Virginie, a développé des algorithmes capables de résoudre directement les équations de la relativité générale. L’algorithme développé par le groupe est, selon Zhang, actuellement le seul à offrir une solution en traitant le rayonnement tel qu’il est décrit par la relativité générale.
Ces simulations reproduisent des comportements observés dans divers systèmes contenant des trous noirs, des sources de rayons X ultralumineuses aux systèmes binaires. Elles pourraient également apporter une explication aux « petits points rouges » (LRD), des objets faibles et énigmatiques détectés dans l’univers primitif par le télescope spatial James Webb. La théorie suggère que ces points correspondent à des trous noirs qui consomment de la matière par un processus appelé « accrétion super-Eddington » dans les noyaux des premières galaxies.
Les simulations indiquent que ces objets pourraient émettre plus de lumière que la limite d’Eddington, c’est-à-dire dépasser l’équilibre entre la force gravitationnelle et la pression de rayonnement, ce qui impliquerait qu’ils rayonnent plus d’énergie que ce que la gravité peut retenir.
La recherche se concentre sur les trous noirs de masse stellaire, dont la masse est d’environ dix fois celle du Soleil, contrairement aux trous noirs supermassifs comme Sagittarius A*, situé au centre de la Voie lactée, dont la masse dépasse 4 millions de fois celle du Soleil. Alors que les trous noirs supermassifs peuvent être observés grâce à des images à haute résolution, les trous noirs de masse stellaire ne sont détectés que sous forme de points lumineux, ce qui oblige les scientifiques à analyser leur spectre pour cartographier la distribution d’énergie autour d’eux.
Les simulations montrent comment la matière spirale vers les trous noirs de masse stellaire, formant des disques turbulents dominés par le rayonnement, générant des vents puissants et, parfois, des jets d’énergie élevée. L’accord entre les données simulées et les observations réelles renforce la validité de l’approche et permet une meilleure interprétation des données limitées disponibles sur ces objets distants.
Pour effectuer ces calculs, l’équipe de Zhang a eu accès à deux des superordinateurs les plus puissants au monde, situés respectivement au laboratoire national d’Oak Ridge et au laboratoire national d’Argonne. Ces machines « exascale » peuvent effectuer un billion d’opérations par seconde. Christophe Blanc, du CCA et de l’Université de Princeton, a dirigé la conception de l’algorithme de transport des radiations, tandis que Patrick Mullen, du Laboratoire national de Los Alamos, était responsable de son implémentation dans un code optimisé pour le calcul exascale.
L’algorithme de base, développé par Yan Fei Jiang du CCA, combine un modèle dépendant de l’angle pour suivre le rayonnement avec une simulation de l’écoulement d’un fluide autour d’une sphère en rotation sous un champ magnétique intense, un outil largement utilisé en astrophysique des objets compacts.
À l’avenir, l’équipe prévoit de déterminer si leur modèle est applicable à tous les types de trous noirs, y compris les trous noirs supermassifs responsables de l’évolution galactique, et d’approfondir la nature des « petits points rouges » détectés par le télescope spatial James Webb. James Pierre, professeur à l’IAS et co-auteur de l’étude, résume le défi restant :
« La tâche consiste désormais à comprendre toute la science qui en découle. »
