Vue de haut en bas d’un trou noir pendant la période précédant une éruption. Le plasma chaud s’écoule initialement dans le trou noir. Au fur et à mesure que le champ magnétique évolue, ce flux s’inverse et projette de la matière vers l’extérieur. Cette matière accélérée génère l’éruption. Crédit : B. Ripperda et al., Astrophysical Journal Letters 202
Les plus grandes simulations jamais réalisées suggèrent que le scintillement est alimenté par la “reconnexion” magnétique.
Des chercheurs du Flatiron Institute et leurs collaborateurs ont découvert que la rupture et la reconnexion des lignes de champ magnétique près de l’horizon des événements libèrent l’énergie d’un black hole’s magnetic field, accelerating particles that generate intense flares. The findings hint at exciting new possibilities in black hole observation.
Black holes aren’t always in the dark. Astronomers have spotted intense light shows shining from just outside the event horizon of supermassive black holes, including the one at our galaxy’s core. However, scientists couldn’t identify the cause of these flares beyond the suspected involvement of magnetic fields.
By employing computer simulations of unparalleled power and resolution, physicists say they’ve solved the mystery: Energy released near a black hole’s event horizon during the reconnection of magnetic field lines powers the flares, the researchers report in The Astrophysical Journal Letters.
The new simulations show that interactions between the magnetic field and material falling into the black hole’s maw cause the field to compress, flatten, break and reconnect. That process ultimately uses magnetic energy to slingshot hot plasma particles at near light speed into the black hole or out into space. Those particles can then directly radiate away some of their kinetic energy as photons and give nearby photons an energy boost. Those energetic photons make up the mysterious black hole flares.
A snapshot from one of the new black hole simulations. Credit: B. Ripperda et al., Astrophysical Journal Letters 2022
In this model, the disk of previously infalling material is ejected during flares, clearing the area around the event horizon. This tidying up could provide astronomers an unhindered view of the usually obscured processes happening just outside the event horizon.
“The fundamental process of reconnecting magnetic field lines near the event horizon can tap the magnetic energy of the black hole’s magnetosphere to power rapid and bright flares,” says study co-lead author Bart Ripperda, a joint postdoctoral fellow at the Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics (CCA) in New York City and Princeton University. “This is really where we’re connecting plasma physics with astrophysics.”
Ripperda co-authored the new study with CCA associate research scientist Alexander Philippov, Harvard University scientists Matthew Liska and Koushik Chatterjee, University of Amsterdam scientists Gibwa Musoke and Sera Markoff, Northwestern University scientist Alexander Tchekhovskoy and University College London scientist Ziri Younsi.
Vue de haut en bas d’un trou noir pendant la période précédant une éruption. Le plasma chaud s’écoule initialement dans le trou noir. Au fur et à mesure que le champ magnétique évolue, ce flux s’inverse et projette de la matière vers l’extérieur. Cette matière accélérée génère l’éruption. Crédit : B. Ripperda et al., Astrophysical Journal Letters 202
Un trou noir, comme son nom l’indique, n’émet aucune lumière. Les éruptions doivent donc provenir de l’extérieur de l’horizon des événements du trou noir – la limite où l’attraction gravitationnelle du trou noir devient si forte que même la lumière ne peut s’en échapper. La matière en orbite et en chute entoure les trous noirs sous la forme d’un disque d’accrétion, comme celui qui entoure le trou noir géant de la galaxie M87. Cette matière tombe en cascade vers l’horizon des événements, près de l’équateur du trou noir. Aux pôles nord et sud de certains de ces trous noirs, des jets de particules sont projetés dans l’espace à une vitesse proche de celle de la lumière.
Identifier l’endroit où les éruptions se forment dans l’anatomie d’un trou noir est incroyablement difficile en raison de la physique impliquée. Les trous noirs courbent le temps et l’espace et sont entourés de puissants champs magnétiques, de champs de rayonnement et de plasma turbulent – une matière si chaude que les électrons se détachent de leurs atomes. Même avec l’aide de puissants ordinateurs, les efforts précédents n’ont pu simuler les systèmes de trous noirs qu’à des résolutions trop faibles pour voir le mécanisme qui alimente les éruptions.
Ripperda et ses collègues ont tout fait pour augmenter le niveau de détail de leurs simulations. Ils ont utilisé le temps de calcul de trois superordinateurs – le superordinateur Summit du Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee, le superordinateur Longhorn de l’Université du Texas à Austin et le superordinateur Popeye du Flatiron Institute situé à l’Université de Californie à San Diego. Au total, le projet a nécessité des millions d’heures de calcul. Le résultat de toute cette puissance de calcul est de loin la simulation la plus haute résolution jamais réalisée de l’environnement d’un trou noir, avec une résolution plus de 1 000 fois supérieure à celle des efforts précédents.
Cette résolution accrue a permis aux chercheurs d’obtenir une image sans précédent des mécanismes qui conduisent à l’éruption d’un trou noir. Le processus est centré sur le champ magnétique du trou noir, dont les lignes de champ magnétique jaillissent de l’horizon des événements du trou noir, formant le jet et se connectant au disque d’accrétion. Des simulations antérieures ont révélé que la matière qui s’écoule dans l’équateur du trou noir entraîne les lignes de champ magnétique vers l’horizon des événements. Les lignes de champ entraînées commencent à s’empiler près de l’horizon des événements, et finissent par repousser et bloquer la matière qui s’écoule.
Un instantané de l’une des nouvelles simulations de trou noir. Ici, les lignes de champ magnétique vertes sont superposées à une carte de plasma chaud. Juste à l’extérieur de l’horizon des événements du trou noir, la connexion des lignes de champ magnétique pointant dans des directions opposées forme un point en X où elles s’entrecroisent. Ce processus de reconnexion envoie certaines particules du plasma dans le trou noir et d’autres dans l’espace, une étape importante dans la génération des éruptions des trous noirs. Crédit : B. Ripperda et al., Astrophysical Journal Letters 2022
Grâce à sa résolution exceptionnelle, la nouvelle simulation a permis de saisir pour la première fois comment le champ magnétique à la frontière entre la matière en écoulement et les jets du trou noir s’intensifie, comprimant et aplatissant les lignes de champ équatoriales. Ces lignes de champ se trouvent maintenant dans des couloirs alternés.pointant vers le trou noir ou s’en éloignant. Lorsque deux lignes pointant dans des directions opposées se rencontrent, elles peuvent se rompre, se reconnecter et s’emmêler. Entre les points de connexion, une poche se forme dans le champ magnétique. Ces poches sont remplies de plasma chaud qui tombe dans le trou noir ou qui est accéléré dans l’espace à des vitesses énormes, grâce à l’énergie prélevée du champ magnétique dans les jets.
“Sans la haute résolution de nos simulations, vous ne pourriez pas capturer la sous-dynamique et les sous-structures”, explique Ripperda. “Dans les modèles à basse résolution, la reconnexion ne se produit pas, il n’y a donc pas de mécanisme qui pourrait accélérer les particules.”
Les particules de plasma dans le matériau catapulté rayonnent immédiatement une partie de l’énergie sous forme de photons. Les particules de plasma peuvent ensuite plonger dans la gamme d’énergie nécessaire pour donner aux photons voisins un surcroît d’énergie. Ces photons, qu’il s’agisse de ceux qui passent à proximité ou des photons initialement créés par le plasma lancé, constituent les éruptions les plus énergétiques. La matière elle-même se retrouve dans une goutte chaude en orbite autour du trou noir. Un tel blob a été repéré près de la Milky Way’s supermassive black hole. “Magnetic reconnection powering such a hot spot is a smoking gun for explaining that observation,” Ripperda says.
The researchers also observed that after the black hole flares for a while, the magnetic field energy wanes, and the system resets. Then, over time, the process begins anew. This cyclical mechanism explains why black holes emit flares on set schedules ranging from every day (for our Milky Way’s supermassive black hole) to every few years (for M87 and other black holes).
Ripperda thinks that observations from the recently launched James Webb Space Telescope combined with those from the Event Horizon Telescope could confirm whether the process seen in the new simulations is happening and if it changes images of a black hole’s shadow. “We’ll have to see,” Ripperda says. For now, he and his colleagues are working to improve their simulations with even more detail.
Reference: “Black Hole Flares: Ejection of Accreted Magnetic Flux through 3D Plasmoid-mediated Reconnection” by B. Ripperda, M. Liska, K. Chatterjee, G. Musoke, A. A. Philippov, S. B. Markoff, A. Tchekhovskoy and Z. Younsi, 14 January 2022, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac46a1
