Une vue d'artiste d'un trou noir dans un système binaire accrétant de la matière et produisant des jets de matière gouvernés par la MHD des plasmas relativistes en espace-temps courbe. © Aurore Simonnet, Nasa's Goddard Space Flight Center

Sciences

Trou noir : une énigme de plus de 40 ans enfin résolue

ActualitéClassé sous :trou noir , effet Bardeen-Petterson , disque d'accrétion

En 1975, deux astrophysiciens relativistes prédisaient analytiquement un effet important dans la physique des disques d'accrétion autour des trous noirs. Mais depuis environ 40 ans, les simulations numériques réalistes de ces disques, tenant compte pleinement du comportement d'un plasma relativiste dans le disque, ne reproduisaient pas cette prédiction. C'est désormais chose faite.

Les équations de la relativité générale sont très difficiles à résoudre analytiquement, sauf dans des cas simples ou avec des approximations qui ne valent que par leurs hypothèses. Ces équations sont non-linéaires, comme celles de Navier-Stokes qui gouvernent la mécanique des fluides. Dans les deux cas, les physiciens ont contourné les problèmes en utilisant des ordinateurs comme le présentait, après la seconde guerre mondiale, le génial Enrico Fermi. De fait, dès le tout début des années 1960, des simulations numériques étaient effectuées pour comprendre ce qui se passait lorsqu'une étoile s'effondrait, et montraient qu'elle devait bien donner un trou noir si elle était suffisamment massive.

Parmi les premiers succès des pionniers de la relativité numérique, il y a eu ceux de Jean-Pierre Luminet qui a été le premier, en 1979, à calculer l'image d'un disque d'accrétion autour d'un trou noir de Schwarzschild. Image dont la pertinence est devenue évidente avec le succès de la collaboration de l'Event Horizon Telescope qui a fourni la première vraie image d'un trou noir supermassif entouré d'un disque d'accrétion chaud.

Les astrophysiciens relativistes ont aussi tenté de rendre compte analytiquement de la physique des disques d'accrétion autour des trous noirs pour en déduire, en particulier, des signatures observationnelles permettant de détecter ces astres compacts. Sans cela, ils sont beaucoup plus difficiles à mettre en évidence quand ils sont isolés (on peut tout de même tenter de voir des effets de lentille gravitationnelle).

James Maxwell Bardeen (né le 9 mai 1939) est un physicien états-unien, bien connu pour ses travaux en relativité générale, en particulier pour son rôle avec Stephen Hawking dans la formulation des lois de la mécanique des trous noirs. Bardeen a obtenu son doctorat à Caltech sous la direction de Richard Feynman et il est le fils du double lauréat du prix Nobel John Bardeen, le découvreur du transistor. © AIP

Un effet relativiste qui affecte l'évolution des galaxies

On peut citer, à cet égard, les travaux du prix Nobel de physique Kip Thorne et ceux de ses collègues russes Igor Novikov et Rashid Sunyaev. Il y a eu aussi les travaux de James Bardeen (à ne pas confondre avec son père John Bardeen bien connu notamment pour ses travaux sur la supraconductivité) avec son collègue Jacobus Petterson. Les deux chercheurs avaient mis en évidence théoriquement, en 1975, un effet qui porte leur nom et qui est associé à un trou noir en rotation via le fameux effet Lense-Thirring.

Pour comprendre, il faut commencer par bien réaliser que lorsqu'un trou noir se met à accréter de la matière - par exemple parce qu'il fait partie d'un système binaire avec une étoile qui est devenue une géante rouge, ou parce qu'un trou noir supermassif coupe un filament géant de gaz froid tombant sur une galaxie -, il n'y a aucune raison pour que le moment cinétique total, associé à la matière accrétée, soit tel qu'il produise un disque d'accrétion perpendiculaire à l'axe de rotation du trou noir.

Mais selon Bardeen et Petterson, l'effet de la rotation du trou noir va tout de même forcer une partie du disque à se déformer de sorte que cette partie devient effectivement perpendiculaire à cet axe de rotation. Ce faisant, on peut montrer que cela influence la formation de jet de matière, et l'absorption de celle tombant vraiment à travers l'horizon d'un trou noir.

Or, on sait que ces processus affectent l'évolution des galaxies de façon significative lorsque l'on est en présence de trous noirs supermassifs qui fonctionnent comme des quasars. Il est donc important de bien modéliser les conséquences de l'effet Bardeen-Petterson pour comprendre cette évolution.

Une simulation purement hydrodynamique et non-relativiste d'un disque d'accrétion d'un trou noir avec effet Bardeen-Petterson. © Rebecca Nealon

Une simulation relativiste réaliste des disques d'accrétion des trous noirs

Des simulations numériques, mais utilisant un traitement non-relativiste et avec un gaz constitué de particules neutres, avaient bien été réalisées. Elles montraient l'occurrence de l'effet Bardeen-Petterson mais ce ne pouvait pas être le dernier mot de l'affaire. Le gaz proche d'un trou noir dans son disque doit être porté à hautes températures et être animé de mouvements très rapides avec des vitesses proches de celle de la lumière. En clair, il fallait effectuer des simulations de magnétohydrodynamique (MHD) relativiste en espace-temps courbe avec un plasma.

Or, depuis environ 40 ans, les simulations plus réalistes tenant compte de ce plasma relativiste ne montraient pas l'apparition de l'effet Bardeen-Petterson, ce qui laissait les astrophysiciens vraiment perplexes.

Tout vient de changer, comme l'explique une publication dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ; l'article est en accès libre sur arXiv. Une équipe internationale de chercheurs des universités de Northwestern, Amsterdam et Oxford y expliquent que grâce aux progrès de la puissance de calcul des superordinateurs et des algorithmes qui y sont implémentés, ils ont enfin pu voir émerger des calculs de MHD relativiste l'effet Bardeen-Petterson.

La simulation d'un disque d’accrétion autour d’un trou noir en rotation rapide (a = 0,9375) avec MHD relativiste. C'est le disque le plus mince à ce jour, avec une inclinaison de 45 degrés. La partie interne s'aligne sur l'équateur du trou noir. © Matthew Liska

  • On sait que les galaxies croissent de pair avec leur trou noir supermassif et que le souffle de ces trous noirs, lorsqu'ils accrètent beaucoup de matière en mode quasar, peut affecter la naissance des étoiles dans les galaxies.
  • On cherche donc à mieux comprendre les effets présents dans les disques relativistes autour des trous noirs supermassifs pour comprendre ces évolutions.
  • En 1975, deux astrophysiciens relativistes, James Bardeen et Jacobus Petterson, avaient justement prédit analytiquement un effet important dans la physique des disques d'accrétion autour des trous noirs.
  • Mais depuis environ 40 ans, les simulations numériques réalistes de ces disques, tenant compte pleinement du comportement d'un plasma relativiste dans le disque, ne reproduisaient pas l'effet Bardeen-Petterson pourtant présent dans des simulations non complètement relativistes.
  • C'est désormais chose faite.
Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi

Première image d’un trou noir supermassif : plongez au cœur de la galaxie M87  Découvrez où se cache le trou noir supermassif dont les astronomes ont dévoilé la première image de l’histoire. Cette vidéo nous transporte jusqu’au centre de la plantureuse galaxie qui l’abrite, à 55 millions d’années-lumière de la Terre.