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Comment échapper à un trou noir: les simulations fournissent de nouveaux indices sur les puissants jets de plasma

Les trous noirs sont connus pour leur appétit vorace. Ils s’attaquent à la matière avec une telle férocité que même la lumière ne peut s’échapper une fois qu’elle est avalée.

Cependant, nous comprenons moins bien comment les trous noirs purgent l’énergie emprisonnée dans leur rotation, projetant des plasmas proches de la vitesse de la lumière dans l’espace vers des côtés opposés dans l’un des écrans les plus puissants de l’univers. Ces jets peuvent s’étendre sur des millions d’années-lumière.

De nouvelles simulations conduites par des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) et de l’UC à Berkeley, du ministère de l’Énergie, combinent des théories vieilles de plusieurs décennies pour fournir de nouvelles informations sur les mécanismes d’entraînement des jets de plasma qui leur permettent de voler l’énergie des trous noirs ‘ puissants champs gravitationnels et le propulsent loin de leurs bouches béantes.

Les simulations pourraient fournir une comparaison utile pour les observations haute résolution du télescope Event Horizon, un réseau conçu pour fournir les premières images directes des régions où se forment les jets de plasma.

Le télescope permettra de nouvelles vues du trou noir au centre de notre propre galaxie, la Voie Lactée, ainsi que des vues détaillées d’autres trous noirs supermassifs.

“Comment extraire l’énergie de la rotation d’un trou noir pour fabriquer des jets?” a déclaré Kyle Parfrey, qui a dirigé les travaux sur les simulations alors qu’il était boursier postdoctoral d’Einstein affilié à la division des sciences nucléaires de Berkeley Lab. “Cela fait longtemps que la question se pose.”

Actuellement chercheur principal au Centre de vol spatial Goddard de la NASA dans le Maryland, Parfrey est l’auteur principal d’une étude publiée le 23 janvier dans Physical Review Letters , qui détaille les recherches sur les simulations.

Les simulations, pour la première fois, associent une théorie qui explique comment les courants électriques autour d’un trou noir tordent les champs magnétiques pour former des jets, avec une théorie séparée expliquant comment des particules traversant le point de non-retour d’un trou noir – l’horizon des événements – peut sembler à un observateur lointain transporter une énergie négative et réduire l’énergie de rotation globale du trou noir.

C’est comme manger une collation qui vous fait perdre des calories plutôt que de les gagner. En réalité, le trou noir perd de la masse suite à la mise en suspension de ces particules dites “d’énergie négative”.

Les simulations informatiques peinent à modéliser toute la physique complexe impliquée dans le lancement par jet de plasma, ce qui doit prendre en compte la création de paires d’électrons et de positrons, le mécanisme d’accélération des particules et l’émission de lumière dans les jets.

Berkeley Lab a largement contribué aux simulations de plasma au cours de sa longue histoire. Le plasma est un mélange de particules chargées semblable à un gaz qui constitue l’état de matière le plus commun de l’univers.

Parfrey a déclaré avoir compris que des simulations plus complexes pour mieux décrire les jets nécessiteraient une combinaison d’expertise en physique des plasmas et en théorie de la relativité générale.

“Je pensais que ce serait un bon moment pour essayer de réunir ces deux choses”, a-t-il déclaré.

Réalisées dans un centre de calcul de la NASA Ames Research Center à Mountain View, en Californie, les simulations intègrent de nouvelles techniques numériques qui constituent le premier modèle de plasma sans collision – dans lequel les collisions entre particules chargées ne jouent pas un rôle majeur – en présence d’un fort champ gravitationnel associé à un trou noir.

Les simulations produisent naturellement des effets connus sous le nom de mécanisme de Blandford-Znajek, qui décrit les champs magnétiques en torsion qui forment les jets, et un processus de Penrose distinct qui décrit ce qui se produit lorsque des particules d’énergie négative sont avalées par le trou noir.

Le processus de Penrose, “même s’il ne contribue pas nécessairement beaucoup à extraire l’énergie de rotation du trou noir”, a déclaré Parfrey, “est peut-être directement lié aux courants électriques qui tordent les champs magnétiques des jets”.

Bien que plus détaillé que certains modèles précédents, Parfrey a noté que les simulations de son équipe sont encore en train de rattraper les observations, et sont idéalisées à certains égards pour simplifier les calculs nécessaires à la réalisation des simulations.

L’équipe a pour objectif de mieux modéliser le processus de création des paires électron-positon dans les jets afin d’étudier de manière plus réaliste la distribution plasmatique des jets et leur émission de rayonnement, en vue d’une comparaison avec les observations. Ils prévoient également d’élargir la portée des simulations afin d’inclure le flux de matière infiltrante autour de l’horizon des événements du trou noir, appelé flux d’accrétion.

“Nous espérons donner une image plus cohérente de l’ensemble du problème”, a-t-il déclaré.

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