Sur cette image issue d'une simulation, un trou noir supermassif pesant 200 millions de masses solaires se trouve au premier plan. Sa gravité déforme la lumière du disque d'accrétion d'un petit trou noir compagnon presque directement derrière lui, créant cette vue surréaliste. Différentes couleurs pour les disques d'accrétion facilitent le suivi des contributions de chacun des trous noirs. © Centre de vol spatial Goddard de la Nasa, Jeremy Schnittman et Brian P. Powell
Sciences

La Nasa reproduit la danse de la lumière autour de deux trous noirs supermassifs en orbite et c'est magnifique !

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Une paire de trous noirs supermassifs en orbite totalisant des centaines de millions de fois la masse du Soleil et avec leurs disques d'accrétion affecte d'une manière singulière les ondes lumineuses. La Nasa vient d'illustrer ce phénomène avec des images issues d'une simulation obtenue avec un superordinateur.

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La Nasa vient de mettre en ligne une vidéo montrant une simulation numérique réalisée avec un superordinateur par Jeremy Schnittman, astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la Nasa à Greenbelt, Maryland. Elle montre les effets sur les trajectoires et les fréquences des rayons lumineux associés à des ondes électromagnétiques se propageant dans l'espace-temps courbe produit par deux trous noirs supermassifs.

Les deux astres compacts sont entourés chacun d'un disque d'accrétion et ils sont en orbite l'un autour de l'autre. Ils doivent donc émettre des ondes gravitationnelles. Ce genre de scénario est tout à fait crédible car nous observons des trous noirs supermassifs binaires qui finiront par fusionner dans certaines galaxies en collision. On devrait même détecter ces ondes à l'horizon des années 2030 avec la mission eLisa.

Une illustration réalisée par Jean-Pierre Luminet à partir des résultats d'une simulation sur ordinateur montrant l'aspect d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion. L'effet Doppler produit par la matière chaude en rotation la rend plus lumineuse lorsqu'elle s'approche de nous à une fraction notable de la vitesse de la lumière, et au contraire la rend presque sombre lorsqu'elle s'éloigne (à droite). Le champ de gravitation du trou noir est si fort que les rayons lumineux issus du disque derrière le trou noir sont courbés en direction de l'observateur et que l'on peut donc voir ce disque au-dessus du trou noir. © Jean-Pierre Luminet, CNRS Photothèque

On peut penser que ces nouvelles images vont susciter des réactions de Jean-Pierre Luminet car comme il l'a expliqué à plusieurs reprises et avec de nombreux détails sur les versions française et anglaise du blog que Futura a mis à sa disposition, il a été le premier à la fin des années 1970 à calculer sur ordinateur l'aspect visuel d'un trou noir entouré d'un disque d'accrétion.

On peut penser également que tout comme dans le cas des images analogues utilisées pour le film Interstellar, il pourrait les trouver pas assez réalistes voire fausses.

L'optique relativiste des trous noirs supermassifs binaires

Mais si l'on en croit le communiqué de la Nasa au sujet de la simulation réalisée par Schnittman avec l'aide du Data Scientist Brian P. Powell sur le supercalculateur Discover au centre de simulation climatique de la Nasa, plusieurs effets physiques réalistes auraient bel et bien été pris en compte.

Le résultat est présenté en ces termes par Jeremy Schnittman : « Nous voyons deux trous noirs supermassifs, un plus grand avec 200 millions de masses solaires et un plus petit, compagnon, pesant moitié moins. Ce sont les types de systèmes binaires de trous noirs où nous pensons que les deux membres pourraient maintenir des disques d'accrétion pendant des millions d'années. »

Peut-être un jour pourra-t-on faire des films montrant quelques images de la danse de la lumière autour de deux trous noirs supermassifs montrant les mêmes phénomènes que dans cette simulation. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman and Brian P. Powell

Par contre, les couleurs rouges et bleues pour les disques d'accrétion des deux trous noirs pour les images de la simulation ne sont pas réalistes mais seulement de convenance. Elles servent à bien différencier les deux disques. En fait, la théorie des disques d'accrétion pour de tels objets compacts, avec les masses qu'on leur attribue, indique qu'ils rayonneront principalement dans l'ultraviolet.

On voit tout de même une légère asymétrie par moments entre les parties des disques en rotation. Cela est dû à un effet Doppler notamment qui change les fréquences du rayonnement perçu selon qu'il provient de la matière en mouvement qui s'éloigne ou s'approche de l'observateur.

Un effet d'aberration relativiste est aussi pris en compte qui, paradoxalement, tend à faire décroître la taille d'un objet lorsqu'il s'approche de nous.

Enfin, lorsque l'on observe les disques perpendiculairement, on aperçoit autour de chaque trou noir une image de l'autre en plus petit. Le phénomène se reproduit donnant lieu à des images en partie invariantes d'échelle comme le serait une courbe fractale.

Une vue de face du système met en évidence l'image déformée du plus petit trou noir (en médaillon) de son plus grand compagnon (en rouge). © Goddard Space Flight Center de la Nasa, Jeremy Schnittman et Brian P. Powell
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