Des simulations de superordinateurs expliquent le jet de trou noir massivement puissant – confirme la théorie de la relativité générale d’Einstein

Un gigantesque jet espionné depuis un trou noir dans l'univers primitif

Trou noir cupermassif avec un jet de rayons X. Crédit : NASA/CXC/M.Weiss

Confirmation supplémentaire de la théorie de la relativité générale d’Einstein.

La galaxie Messier 87 (M87) est située à 55 millions d’années-lumière de la Terre dans la constellation de la Vierge. C’est une galaxie géante avec 12.000 amas globulaires, ce qui rend le voie LactéeLes 200 amas globulaires de s semblent modestes en comparaison. UNE trou noir de six milliards et demi de masses solaires est hébergé au centre de M87. C’est le premier trou noir pour lequel une image existe, créé en 2019 par la collaboration internationale de recherche Event Horizon Telescope.

Ce trou noir (M87*) tire un jet de plasma à près de la vitesse de la lumière, un jet dit relativiste, à l’échelle de 6 000 années-lumière. L’énorme énergie nécessaire pour alimenter ce jet provient probablement de l’attraction gravitationnelle du trou noir, mais comment un jet comme celui-ci se produit et ce qui le maintient stable sur l’énorme distance n’est pas encore entièrement compris.

Modèle théorique du jet relativiste M87 et observations astronomiques

Le modèle théorique (théorie) et les observations astronomiques (observation) du site de lancement du jet relativiste de M87 correspondent très bien. Crédit : Alejandro Cruz-Osorio

Le trou noir M87* attire la matière qui tourne dans un disque sur des orbites de plus en plus petites jusqu’à ce qu’elle soit avalée par le trou noir. Le jet est lancé depuis le centre du disque d’accrétion entourant M87, et les physiciens théoriciens de l’Université Goethe, ainsi que des scientifiques d’Europe, des États-Unis et de Chine, ont maintenant modélisé cette région en détail.

Ils ont utilisé des simulations de superordinateur tridimensionnelles très sophistiquées qui utilisent la quantité stupéfiante d’un million d’heures CPU par simulation et ont dû simultanément résoudre les équations de la relativité générale d’Albert Einstein, les équations de l’électromagnétisme de James Maxwell et les équations de la dynamique des fluides de Léonhard Euler.

Jet relativiste de lignes de champ magnétique de trou noir M87

Le long des lignes de champ magnétique, les particules sont accélérées si efficacement qu’elles forment un jet à des échelles de 6 000 années-lumière dans le cas de M87. Crédit : Alejandro Cruz-Osorio

Le résultat a été un modèle dans lequel les valeurs calculées pour les températures, les densités de matière et les champs magnétiques correspondent remarquablement bien à ce qui est déduit des observations astronomiques. Sur cette base, les scientifiques ont pu suivre le mouvement complexe des photons dans l’espace-temps courbe de la région la plus interne du jet et le traduire en images radio. Ils ont ensuite pu comparer ces images modélisées par ordinateur avec les observations faites à l’aide de nombreux radiotélescopes et satellites au cours des trois dernières décennies.

Le Dr Alejandro Cruz-Osorio, auteur principal de l’étude, commente : « Notre modèle théorique de l’émission électromagnétique et de la morphologie du jet de M87 correspond étonnamment bien aux observations dans les spectres radio, optique et infrarouge. Cela nous indique que le trou noir supermassif M87* est probablement en forte rotation et que le plasma est fortement magnétisé dans le jet, accélérant les particules à des échelles de milliers d’années-lumière.

Le professeur Luciano Rezzolla, de l’Institut de physique théorique de l’Université Goethe de Francfort, remarque : « Le fait que les images que nous avons calculées soient si proches des observations astronomiques est une autre confirmation importante que la théorie de la relativité générale d’Einstein est l’explication la plus précise et naturelle de l’existence de trous noirs supermassifs au centre des galaxies. Bien qu’il y ait encore de la place pour des explications alternatives, les résultats de notre étude ont rendu cette pièce beaucoup plus petite.

Référence : « Modélisation énergétique et morphologique de pointe du site de lancement du jet M87 » par Alejandro Cruz-Osorio, Christian M. Fromm, Yosuke Mizuno, Antonios Nathanail, Ziri Younsi, Oliver Porth, Jordy Davelaar, Heino Falcke, Michael Kramer et Luciano Rezzolla, le 4 novembre 2021, Astronomie de la nature.
DOI : 10.1038/s41550-021-01506-w

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