Les trous noirs supermassifs peuvent se déchirer et dévorer leur disque de poussière et de gaz environnants à une vitesse choquante, expliquant peut-être le comportement d’une classe mystérieuse de quasars à éclaircissement rapide.
Pesant entre un million et un milliard de fois la masse du Soleil, on pense que les trous noirs supermassifs se trouvent au centre des galaxies, où ils consomment un disque aplati de débris qui entoure leur horizon des événements, ce point de non-retour où la matière ne peut échapper aux griffes de la gravité. De nouvelles recherches suggèrent que les poids lourds des trous noirs pourraient consommer les parties internes de leur disque d’accrétion en quelques mois, voire années, beaucoup plus rapidement que l’on pensait auparavant, des siècles ou des millénaires. Bien que les résultats proviennent d’une simulation informatique et non de la réalité, cette échelle de temps correspondrait aux observations de ce que l’on appelle quasars à aspect changeant. Les quasars sont des noyaux galactiques où la poussière et le gaz tombent dans un trou noir et libèrent de brillantes éruptions de rayonnement électromagnétique. Changer de look les quasars s’assombrissent et s’éclairent de l’ordre de plusieurs mois, ce qui laisse perplexe compte tenu de l’ampleur des conséquences.
« Quelque chose de bizarre se produit : la lumière s’éteint, puis d’une manière ou d’une autre, elle se rallume en très peu de temps pendant un certain temps. un trou noir supermassif“, déclare Nick Kaaz, responsable de l’étude et étudiant diplômé en astrophysique à la Northwestern University. Résoudre l’énigme pourrait aider à expliquer comment les trous noirs géants situés au centre des galaxies, y compris la Voie lactée, se sont formés et ont grandi.
Les premiers modèles de trous noirs ne pouvaient pas vraiment expliquer le changement d’apparence des quasars. Ces premiers modèles étaient limités, dit Kaaz, car ils supposaient qu’un trou noir et son disque d’accrétion seraient alignés : les deux existeraient le long du même plan et tourneraient dans la même direction. «Nous disposons désormais de la puissance de ces simulations informatiques très puissantes, ce qui nous permet d’examiner des questions plus complexes», dit-il.
L’équipe de recherche a utilisé le Summit du laboratoire national d’Oak Ridge, l’un des plus grands supercalculateurs au monde, pour créer un modèle tridimensionnel d’un trou noir avec un disque d’accrétion incliné. Au lieu de tourner en douceur comme un disque vinyle sur un plateau tournant, ce disque d’accrétion décalé agit davantage comme un gyroscope, avec des disques tournant et vacillant sous différents angles et vitesses. Les forces entraînant la rotation sont les plus fortes plus près du trou noir et les plus faibles plus loin, dit Kaaz, il y a donc une tendance naturelle pour le disque à se déchirer. Mais des forces telles que la friction et les champs magnétiques contribuent à maintenir l’unité.
“Il y a cette compétition entre la rotation du trou noir essayant de déchirer la chose et l’hydrodynamique interne des disques d’accrétion essayant de rester ensemble”, dit-il.
Ce jeu de tir à la corde au niveau galactique provoque la déformation de l’espace-temps lui-même. Parce que cette déformation se renforce plus près de l’horizon des événements, le disque d’accrétion commence à se séparer et le disque interne se sépare du disque externe, Kaaz et ses collègues rapporté le 20 septembre dans le Journal d’astrophysique. Ces deux disques s’écrasent violemment l’un contre l’autre, dit Kaaz, et la force du disque externe pousse la matière du disque interne vers le trou noir. Le vide laissé derrière lui se remplit rapidement de matériaux du disque externe qui subissent ensuite le même cycle violent avant d’être également engloutis.
Ce processus pourrait être à l’origine du changement d’apparence des quasars, dit Kaaz. “Nous avons quelque chose de nouveau qui doit paraître intéressant du point de vue de l’observation”, dit-il. “Et puis, d’un point de vue observationnel, il y a quelque chose de mystérieux qui pourrait correspondre naturellement à cette histoire.”
La recherche révèle des détails intéressants sur les structures au sein des doubles disques chaotiques, explique Vicente Valenzuela-Villaseca, chercheur postdoctoral et physicien des plasmas à l’Université de Princeton, qui n’a pas participé à la nouvelle étude. Pour ses propres recherches, Valenzuela-Villaseca crée des disques d’accrétion de trous noirs à partir de plasma ou de gaz chargé, en laboratoire. Son équipe pourrait perturber le disque d’accrétion simulé pour tenter de recréer le type de dynamique trouvée par Kaaz et ses collègues, explique Valenzuela-Villaseca.
“Il existe une corrélation très connue entre la masse d’un trou noir supermassif au centre de la galaxie et la galaxie”, ajoute Valenzuela-Villaseca. “Il semble qu’ils co-évoluent.” Les astronomes se demandent encore comment les trous noirs supermassifs se sont développés aussi rapidement qu’au début de l’univers. Une meilleure compréhension de leur dynamique pourrait donc aider à répondre aux questions sur leurs origines, explique Kaaz.
De tels disques d’accrétion bancaux pourraient également entourer des trous noirs stellaires beaucoup plus petits, qui représentent généralement environ trois à 20 fois la masse du soleil. Ces tout petits trous noirs peuvent également avoir des disques inclinés et une dynamique tout aussi chaotique, explique Kaaz. “Ce domaine fait partie d’une campagne en cours visant à tenter de comprendre ce que nous voyons dans le ciel nocturne et à tout cataloguer”, dit-il.
