Comme la plupart des galaxies, la Voie lactée abrite un trou noir supermassif en son centre. Appelé Sagittaire A*, l'objet a captivé la curiosité des astronomes pendant des décennies. Et maintenant, il y a un effort pour l'imager directement.

Prendre une bonne photo de la bête céleste nécessitera une meilleure compréhension de ce qui se passe autour d'elle, ce qui s'est avéré difficile en raison des échelles très différentes impliquées. "C'est la plus grande chose que nous ayons eu à surmonter, " a déclaré Sean Ressler, chercheur postdoctoral au Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) de l'UC Santa Barbara, qui vient de publier un article dans le Lettres de revues astrophysiques , étudier les propriétés magnétiques du disque d'accrétion entourant Sagittarius A*.

Dans l'étude, Ressler, son collègue postdoctoral KITP Chris White et leurs collègues, Eliot Quataert de l'UC Berkeley et James Stone de l'Institute for Advanced Study, cherché à déterminer si le champ magnétique du trou noir, qui est généré par la matière en chute, peut s'accumuler au point où il étouffe brièvement ce flux, une condition que les scientifiques appellent magnétiquement arrêtée. Pour y répondre, il faudrait simuler le système jusqu'aux étoiles en orbite les plus proches.

Le système en question s'étend sur sept ordres de grandeur. L'horizon des événements du trou noir, ou enveloppe de non retour, atteint environ 4 à 8 millions de miles de son centre. Pendant ce temps, les étoiles orbitent à environ 20 000 milliards de kilomètres, ou à peu près jusqu'à l'étoile voisine la plus proche du soleil.

« Donc, vous devez suivre la question qui tombe de cette très grande échelle jusqu'à cette très petite échelle, " a déclaré Ressler. " Et faire cela en une seule simulation est incroyablement difficile, au point que c'est impossible. » Les plus petits événements se déroulent sur des échelles de temps de quelques secondes tandis que les plus grands phénomènes se déroulent sur des milliers d'années.

Cet article relie les simulations à petite échelle, qui sont pour la plupart théoriques, avec des simulations à grande échelle qui peuvent être limitées par des observations réelles. Pour y parvenir, Ressler a divisé la tâche entre les modèles à trois échelles qui se chevauchent.

La première simulation reposait sur les données des étoiles environnantes du Sagittaire A*. Heureusement, l'activité du trou noir n'est dominée que par une trentaine d'étoiles Wolf-Rayet, qui soufflent d'énormes quantités de matière. "La perte de masse d'une seule des étoiles est plus importante que la quantité totale de substances tombant dans le trou noir pendant le même temps, " a déclaré Ressler. Les étoiles ne dépensent qu'environ 100, 000 ans dans cette phase dynamique avant de passer à un stade de vie plus stable.

À l'aide de données d'observation, Ressler a simulé les orbites de ces étoiles au cours d'environ mille ans. Il a ensuite utilisé les résultats comme point de départ pour une simulation de distances moyennes, qui évoluent sur des échelles de temps plus courtes. Il a répété cela pour une simulation jusqu'au bord de l'horizon des événements, où l'activité se déroule en quelques secondes. Plutôt que de coudre des chevauchements durs, cette approche a permis à Ressler de fondre les résultats des trois simulations les uns dans les autres.

"Ce sont vraiment les premiers modèles de l'accrétion aux plus petites échelles dans [Sagittaire] A* qui prennent en compte la réalité de l'apport de matière provenant des étoiles en orbite, " a déclaré le co-auteur White.

Et la technique a fonctionné à merveille. "Cela a dépassé mes attentes, " a fait remarquer Ressler.

Les résultats ont indiqué que Sagittarius A* peut devenir magnétiquement arrêté. Cela a été une surprise pour l'équipe, puisque la Voie Lactée a un centre galactique relativement calme. D'habitude, Les trous noirs magnétiquement arrêtés ont des jets à haute énergie projetant des particules à des vitesses relativistes. Mais jusqu'à présent, les scientifiques ont vu peu de preuves de jets autour du Sagittaire A *.

"L'autre ingrédient qui aide à créer des jets est un trou noir en rotation rapide, " dit Blanc, "donc cela peut nous dire quelque chose sur la rotation du Sagittaire A *."

Malheureusement, le spin du trou noir est difficile à déterminer. Ressler a modélisé le Sagittaire A* comme un objet stationnaire. "Nous ne savons rien sur le spin, " a-t-il dit. " Il est possible qu'il ne tourne tout simplement pas. "

Ressler et White prévoient ensuite de modéliser un trou en rotation, ce qui est beaucoup plus difficile. Il introduit immédiatement une foule de nouvelles variables, y compris la vitesse de rotation, direction et inclinaison par rapport au disque d'accrétion. Ils utiliseront les données de l'interféromètre GRAVITY de l'Observatoire européen austral pour guider ces décisions.

L'équipe a utilisé les simulations pour créer des images qui peuvent être comparées aux observations réelles du trou noir. Les scientifiques de la collaboration Event Horizon Telescope - qui a fait la une des journaux en avril 2019 avec la première image directe d'un trou noir - ont déjà demandé les données de simulation afin de compléter leurs efforts pour photographier le Sagittaire A *.

Le télescope Event Horizon prend effectivement une moyenne temporelle de ses observations, ce qui donne une image floue. C'était moins problématique lorsque l'observatoire avait en vue Messier 87*, car il est d'environ 1, 000 fois plus grand que le Sagittaire A*, donc ça change vers 1, 000 fois plus lentement.

"C'est comme prendre une photo d'un paresseux plutôt que de prendre une photo d'un colibri, " a expliqué Ressler. Leurs résultats actuels et futurs devraient aider le consortium à interpréter leurs données sur notre propre centre galactique.

Les résultats de Ressler sont un grand pas en avant dans notre compréhension de l'activité au centre de la Voie lactée. "C'est la première fois que le Sagittaire A* est modélisé sur une si large plage de rayons dans des simulations 3D, et les premières simulations à l'échelle de l'horizon des événements utilisant des observations directes des étoiles Wolf-Rayet, " a déclaré Ressler.