Deux trous noirs supermassifs au centre d'un grand disque de gaz sont sur une trajectoire de collision dans une séquence temporelle simulée par les scientifiques du RIT. Un flux alternatif de gaz remplit et épuise les mini disques alimentant les trous noirs, montré ci-dessus. Des signaux lumineux caractéristiques émis dans le gaz pourraient marquer l'emplacement des masses invisibles. (Remarque :le point au centre de l'image ne fait pas partie de la simulation.) Crédit :RIT Center for Computational Relativity and Gravitation
Une nouvelle simulation de trous noirs supermassifs - les mastodontes au centre des galaxies - utilise un scénario réaliste pour prédire les signaux lumineux émis dans le gaz environnant avant que les masses n'entrent en collision, ont déclaré les chercheurs du Rochester Institute of Technology.
L'étude dirigée par RIT représente la première étape vers la prédiction de la fusion imminente des trous noirs supermassifs en utilisant les deux canaux d'information désormais disponibles pour les scientifiques - les spectres d'ondes électromagnétiques et gravitationnelles - connus sous le nom d'astrophysique multimessager. Les résultats apparaissent dans l'article "Quasi-periodic Behavior of Mini-disks in Binary Black Holes Approaching Merger, " publié dans le Lettres de revues astrophysiques .
"Nous avons effectué la première simulation dans laquelle un disque d'accrétion autour d'un trou noir binaire alimente des disques d'accrétion individuels, ou mini-disques, autour de chaque trou noir en relativité générale et magnétohydrodynamique, " a déclaré Dennis Bowen, auteur principal et chercheur postdoctoral au Center for Computational Relativity and Gravitation du RIT.
Contrairement à leurs cousins moins massifs, détecté pour la première fois en 2016, Les trous noirs supermassifs sont alimentés par des disques de gaz qui les entourent comme des beignets. La forte attraction gravitationnelle des trous noirs qui s'inspirent les uns vers les autres chauffe et perturbe le flux de gaz du disque au trou noir et émet des signaux périodiques dans les parties visible aux rayons X du spectre électromagnétique.
"Nous n'avons pas encore vu deux trous noirs supermassifs se rapprocher autant, " a déclaré Bowen. "Cela donne les premiers indices de ce à quoi ressembleront ces fusions dans un télescope. Le remplissage et le rechargement des mini-disques affectent les signatures lumineuses."
La simulation modélise des trous noirs supermassifs dans une paire binaire, chacun entouré de ses propres disques de gaz. Un disque de gaz beaucoup plus gros entoure les trous noirs et alimente de manière disproportionnée un mini-disque par rapport à un autre, conduisant au cycle de remplissage et de remplissage décrit dans le document.
"L'évolution est assez longue pour étudier à quoi ressemblerait le véritable résultat scientifique, " a déclaré Manuela Campanelli, directeur du Center for Computational Relativity and Gravitation et co-auteur de l'article.
Les trous noirs supermassifs binaires émettent des ondes gravitationnelles à des fréquences plus basses que les trous noirs de masse stellaire. L'observatoire à ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser au sol, en 2016, détecté les premières ondes gravitationnelles des collisions de trous noirs de masse stellaire avec un instrument réglé sur des fréquences plus élevées. La sensibilité de LIGO est incapable d'observer les signaux d'ondes gravitationnelles produits par la coalescence supermassive des trous noirs.
Des lignes de champ magnétique émanent d'une paire de trous noirs supermassifs sur le point de fusionner dans un grand disque de gaz dans une simulation réalisée par des scientifiques du RIT. Des signaux lumineux périodiques dans le disque de gaz pourraient un jour aider les scientifiques à localiser les trous noirs binaires supermassifs. Crédit :RIT Center for Computational Relativity and Gravitation
Le lancement de l'antenne spatiale de l'interféromètre laser, ou LISA, prévu pour les années 2030, détectera les ondes gravitationnelles provenant de la collision des trous noirs supermassifs dans le cosmos. Lorsqu'il sera opérationnel dans les années 2020, le grand télescope d'enquête synoptique au sol, ou LSST, en construction à Cerro Pachón, Chili, produira le plus large, étude la plus approfondie des émissions lumineuses dans l'univers. Le modèle de signaux prédit dans l'étude RIT pourrait guider les scientifiques vers des paires de trous noirs supermassifs en orbite.
"A l'ère de l'astrophysique multi-messagers, de telles simulations sont nécessaires pour faire des prédictions directes des signaux électromagnétiques qui accompagneront les ondes gravitationnelles, " a déclaré Bowen. "C'est la première étape vers l'objectif ultime de simulations capables de faire des prédictions directes du signal électromagnétique des trous noirs binaires approchant de la fusion."
Bowen et ses collaborateurs ont combiné des simulations des grappes d'ordinateurs Black Hole Lab de RIT et du superordinateur Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, l'un des plus gros supercalculateurs des États-Unis.
Astrophysiciens du RIT, L'Université Johns Hopkins et le Goddard Space Flight Center de la NASA ont collaboré au projet. La publication est basée sur le doctorat de Bowen. thèse au RIT et achève une recherche commencée par un co-auteur, Scott Noble, un ancien post-doctorant du RIT, maintenant à la NASA Goddard. Leur recherche fait partie d'un projet collaboratif financé par la National Science Foundation et dirigé par Campanelli. Les co-auteurs incluent Vassilios Mewes, chercheur postdoctoral RIT; Miguel Zilhao, ancien chercheur post-doctorant du RIT, maintenant à l'Universidade de Lisboa, au Portugal; et Julien Krolik, professeur de physique et d'astronomie à l'université Johns Hopkins.
Dans un prochain article, les auteurs exploreront davantage la corrélation entre le gaz entrant et sortant des disques d'accrétion et les émissions lumineuses fluctuantes. Ils présenteront des prédictions de signatures lumineuses que les scientifiques peuvent s'attendre à voir avec des télescopes avancés lorsqu'ils recherchent des trous noirs supermassifs approchant de la fusion.
