Les astrophysiciens du MIPT ont développé un modèle pour tester une hypothèse sur les trous noirs supermassifs au centre des galaxies. Le nouveau modèle permet aux scientifiques de prédire combien d'énergie de rotation un trou noir perd lorsqu'il émet des faisceaux de matière ionisée appelés jets astrophysiques. La perte d'énergie est estimée à partir des mesures du champ magnétique d'un jet. L'article a été publié dans la revue Frontières de l'astronomie et des sciences spatiales .

Les astrophysiciens ont observé des centaines de jets relativistes, d'énormes sorties de matière émises par des noyaux galactiques actifs abritant des trous noirs supermassifs. La matière dans un jet est accélérée presque à la vitesse de la lumière, d'où le terme « relativiste ». Les jets sont colossaux, même selon les normes astronomiques - leur longueur peut atteindre plusieurs pour cent du rayon de la galaxie hôte, ou environ 300, 000 fois plus grand que le trou noir associé.

Cela dit, il y a encore beaucoup de choses que les chercheurs ignorent sur les jets. Les astrophysiciens ne savent même pas de quoi ils sont faits car les observations de jets ne produisent aucune raie spectrale. Le consensus actuel soutient que les jets sont probablement constitués d'électrons et de positons ou de protons, mais ils restent assez mystérieux. À mesure que les chercheurs obtiennent de nouvelles données, un modèle plus complet et plus cohérent de ce phénomène émerge progressivement.

La matière en orbite et tombant sur un trou noir est appelée disque d'accrétion. Il joue un rôle crucial dans la formation des jets. Un trou noir, avec son disque d'accrétion et ses jets (fig. 1), sont considérés comme la "machine" la plus efficace pour convertir l'énergie. Si l'on définit l'efficacité d'un tel système comme le rapport de l'énergie emportée par les jets à l'énergie de la matière accrétée, il peut même dépasser 100 pour cent.

Néanmoins, un examen plus approfondi du système révèle que la deuxième loi de la thermodynamique est toujours valable. Ce n'est pas une machine à mouvement perpétuel. Il s'avère qu'une partie de l'énergie du jet provient de la rotation du trou noir. C'est-à-dire, en actionnant un jet, un trou noir tourne progressivement plus lentement.

Dans un sens, ce mouvement perpétuel apparent ressemble plus à un vélo électrique. Il y a une inadéquation apparente entre l'énergie d'entrée de la matière d'accrétion - travail musculaire, dans le cas du motard - et l'énergie de sortie du jet, ou le mouvement du vélo. Dans les deux cas, bien que, il y a une source d'énergie cachée supplémentaire, à savoir, la batterie alimentant le moteur électrique du vélo et la rotation du trou noir.

Par accrétion, un trou noir gagne un moment angulaire, c'est-à-dire il commence à tourner plus vite. Les jets emportent une partie de cet excès de moment angulaire dans ce qu'on appelle l'extraction d'énergie de rotation. Des effets similaires sont observés chez les jeunes étoiles. Lors de la formation d'une étoile, il capture la matière du disque d'accrétion, qui a un moment cinétique énorme. Cependant, les observations montrent que de telles étoiles tournent en fait assez lentement. Tous les moments angulaires manquants sont utilisés pour alimenter les jets étroits émis par ces étoiles.

Les scientifiques ont récemment développé une nouvelle méthode pour mesurer les champs magnétiques dans les jets émis par les noyaux galactiques actifs. Dans son papier, L'astrophysicienne Elena Nokhrina a montré que cette méthode peut être utilisée pour estimer la contribution de la rotation du trou noir à la puissance du jet. Jusqu'à maintenant, la formule pour la canalisation de l'énergie de rotation dans l'énergie du jet n'a pas été testée empiriquement. Malheureusement, aucune observation fiable à ce jour n'a capturé le taux de rotation des trous noirs, ce qui est important pour estimer la perte d'énergie de rotation.

Un trou noir n'a pas de champ magnétique propre. Cependant, un champ magnétique vertical est généré autour d'elle par la matière ionisée dans le disque d'accrétion. Pour estimer la perte d'énergie de rotation par un trou noir, les scientifiques doivent trouver le flux magnétique à travers la frontière autour d'un trou noir connu sous le nom d'horizon des événements.

"Parce que le flux magnétique est conservé, en mesurant sa magnitude dans le jet, nous apprenons également le flux magnétique près du trou noir. Connaissant la masse du trou noir, nous pouvons calculer la distance entre son axe de rotation et l'horizon des événements, sa frontière notionnelle. Cela nous permet d'estimer la différence de potentiel électrique entre l'axe de rotation et la limite du trou noir. En prenant en compte l'écran de champ électrique dans le plasma, il est possible de trouver le courant électrique près du trou noir. Connaissant à la fois le courant et la différence de potentiels, on peut estimer la quantité d'énergie perdue par le trou noir en raison du ralentissement de sa rotation, " dit Elena Nokhrina, the author of the paper and deputy head of the relativistic astrophysics laboratory at MIPT.

The calculations point toward a correlation between the total power of a jet emitted by a black hole and the loss of rotational energy by the black hole. Notamment, this study makes use of a recent model of jet structure (fig. 2). Before this model was advanced, researchers assumed jets to have homogeneous transverse structure, which is a simplification. In the new model, the magnetic field of a jet is not homogeneous, enabling more accurate predictions.

Most of the galaxies hosting jets are too remote for the transverse structure of their magnetic fields to be discerned. So the experimentally measured magnetic field is compared with its model transverse structure to estimate the magnitude of the field's components. Only by taking transverse structure into account is it possible to test the mechanism of black hole rotation powering jets. Autrement, it would be necessary to know the rotation rate.

The hypothesis that was put to the test in the study states that jet power depends on the magnetic flux and the rotation rate of the black hole. This makes it possible to gauge to what extent a jet is powered by rotational energy. Notamment, this theoretical work enables us to estimate how much rotational energy is lost by a black hole without knowing its rotation rate—using only the magnetic field measurements of the jet.