Grâce à des simulations de superordinateurs uniques en leur genre, des chercheurs, dont un professeur de la Northwestern University, ont acquis un nouvel aperçu de l'un des phénomènes les plus mystérieux de l'astronomie moderne :le comportement des jets relativistes qui tirent des trous noirs, s'étendant vers l'extérieur sur des millions d'années-lumière.

Des simulations avancées créées avec l'un des superordinateurs les plus puissants au monde montrent que les jets des jets changent progressivement de direction dans le ciel, ou précession, en raison de l'espace-temps entraîné dans la rotation du trou noir. Ce comportement s'aligne avec les prédictions d'Albert Einstein sur la gravité extrême près des trous noirs en rotation, publié dans sa célèbre théorie de la relativité générale.

« Comprendre comment les trous noirs en rotation entraînent l'espace-temps autour d'eux et comment ce processus affecte ce que nous voyons à travers les télescopes reste crucial, puzzle difficile à résoudre, " a déclaré Alexandre Tchekhovskoy, professeur adjoint de physique et d'astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. "Heureusement, les percées dans le développement de code et les avancées dans l'architecture des superordinateurs nous rapprochent de plus en plus de la recherche des réponses. »

L'étude, publié dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society , est une collaboration entre Tchekhovskoy, Matthew Liska et Casper Hesp. Liska et Hesp sont les auteurs principaux de l'étude et les étudiants diplômés de l'Université d'Amsterdam, Pays-Bas.

Les trous noirs en rotation rapide non seulement engloutissent la matière, mais émettent également de l'énergie sous forme de jets relativistes. Semblable à la façon dont l'eau dans une baignoire forme un bain à remous lorsqu'elle descend dans un drain, le gaz et les champs magnétiques qui alimentent un trou noir supermassif tourbillonnent pour former un disque en rotation, un enchevêtrement de lignes de champ magnétique mélangées à un bouillon de gaz chaud. Alors que le trou noir consomme cette soupe astrophysique, il engloutit le bouillon mais laisse pendre les spaghettis magnétiques hors de sa bouche. Cela fait du trou noir une sorte de rampe de lancement à partir de laquelle l'énergie, sous forme de jets relativistes, pousses de la toile de spaghettis magnétiques torsadés.

Les jets émis par les trous noirs sont plus faciles à étudier que les trous noirs eux-mêmes car les jets sont si gros. Cette étude permet aux astronomes de comprendre à quelle vitesse la direction du jet change, qui révèle des informations sur le spin du trou noir ainsi que l'orientation et la taille du disque en rotation et d'autres propriétés difficiles à mesurer de l'accrétion du trou noir.

Alors que presque toutes les simulations précédentes considéraient des disques alignés, en réalité, On pense que les trous noirs supermassifs centraux de la plupart des galaxies abritent des disques inclinés, ce qui signifie que le disque tourne autour d'un axe distinct de celui du trou noir lui-même. Cette étude confirme que si incliné, les disques changent de direction par rapport au trou noir, précessant comme une toupie. Pour la première fois, les simulations ont montré que de tels disques inclinés conduisent à des jets en précession qui changent périodiquement de direction dans le ciel.

Une raison importante pour laquelle les jets de précession n'ont pas été découverts plus tôt est que les simulations 3D de la région entourant un trou noir en rotation rapide nécessitent une énorme quantité de puissance de calcul. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont construit le premier code de simulation de trou noir accéléré par des unités de traitement graphique (GPU). Une subvention de la National Science Foundation leur a permis de réaliser les simulations sur Blue Waters, l'un des plus gros supercalculateurs au monde, situé à l'Université de l'Illinois.

La confluence du code rapide, qui utilise efficacement une architecture GPU de pointe, et le supercalculateur Blue Waters a permis à l'équipe d'effectuer des simulations avec la résolution la plus élevée jamais atteinte - jusqu'à un milliard de cellules de calcul.

"La haute résolution nous a permis, pour la première fois, pour s'assurer que les mouvements de disque turbulent à petite échelle sont capturés avec précision dans nos modèles, " a déclaré Tchekhovskoy. " À notre grande surprise, ces mouvements se sont avérés si forts qu'ils ont fait grossir le disque et arrêter la précession du disque. Cela suggère que la précession peut se produire par rafales. »

Parce que l'accrétion sur les trous noirs est un système très complexe semblable à un ouragan, mais situé si loin que nous ne pouvons pas discerner beaucoup de détails, Les simulations offrent un moyen puissant de donner un sens aux observations du télescope et de comprendre le comportement des trous noirs.

Les résultats de la simulation sont importants pour d'autres études impliquant des trous noirs en rotation, qui se déroulent actuellement dans le monde entier. Grâce à ces efforts, les astronomes tentent de comprendre des phénomènes récemment découverts tels que les premières détections d'ondes gravitationnelles provenant de collisions d'étoiles à neutrons et les feux d'artifice électromagnétiques qui les accompagnent, ainsi que des étoiles régulières englouties par des trous noirs supermassifs.

Les calculs sont également appliqués à l'interprétation des observations du télescope Event Horizon (EHT), qui a capturé les premiers enregistrements de l'ombre du trou noir supermassif au centre de la Voie lactée.

En outre, la précession des jets pourrait expliquer les fluctuations de l'intensité de la lumière provenant des trous noirs, appelées oscillations quasi-périodiques (QPO). De telles oscillations peuvent se produire de la même manière que le faisceau rotatif d'un phare augmente en intensité lorsqu'il passe devant un observateur. Les QPO ont été découverts pour la première fois près des trous noirs (sous forme de rayons X) en 1985 par Michiel van der Klis (Université d'Amsterdam), qui est co-auteur du nouvel article.