Dans ce cadre de la nouvelle visualisation, un trou noir supermassif pesant 200 millions de masses solaires se trouve au premier plan. Sa gravité déforme la lumière du disque d'accrétion d'un petit trou noir compagnon presque directement derrière lui, créant cette vue surréaliste. Des couleurs différentes pour les disques d'accrétion facilitent le suivi des contributions de chacun. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA/Jeremy Schnittman et Brian P. Powell
Une paire de trous noirs en orbite des millions de fois la masse du Soleil effectue un pas de deux hypnotique dans une nouvelle visualisation de la NASA. Le film retrace comment les trous noirs déforment et redirigent la lumière émanant du maelström de gaz chauds – appelé disque d'accrétion – qui les entoure.
Vu de près du plan orbital, chaque disque d'accrétion prend un aspect caractéristique à double bosse. Mais comme l'un passe devant l'autre, la gravité du trou noir au premier plan transforme son partenaire en une séquence d'arcs changeant rapidement. Ces distorsions se produisent alors que la lumière des deux disques navigue dans le tissu enchevêtré de l'espace et du temps près des trous noirs.
"Nous voyons deux trous noirs supermassifs, un plus grand avec 200 millions de masses solaires et un compagnon plus petit pesant la moitié, " a déclaré Jeremy Schnittman, un astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, qui a créé la visualisation. "Ce sont les types de systèmes binaires de trous noirs où nous pensons que les deux membres pourraient maintenir des disques d'accrétion durant des millions d'années."
Les disques d'accrétion ont des couleurs différentes, rouge et bleu, pour faciliter le suivi des sources lumineuses, mais le choix reflète aussi la réalité. Un gaz plus chaud émet une lumière plus proche de l'extrémité bleue du spectre, et les matériaux en orbite autour de trous noirs plus petits subissent des effets gravitationnels plus forts qui produisent des températures plus élevées. Pour ces masses, les deux disques d'accrétion émettraient en fait la majeure partie de leur lumière dans les UV, avec le disque bleu atteignant une température légèrement plus élevée.
Des visualisations comme celle-ci aident les scientifiques à imaginer les conséquences fascinantes du miroir funhouse de la gravité extrême. La nouvelle vidéo se double d'une précédente produite par Schnittman et montrant un trou noir solitaire sous différents angles.
Vu presque de côté, les disques d'accrétion semblent nettement plus brillants d'un côté. La distorsion gravitationnelle modifie les chemins de la lumière provenant de différentes parties des disques, produire l'image déformée. Le mouvement rapide du gaz près du trou noir modifie la luminosité du disque grâce à un phénomène appelé amplification Doppler, un effet de la théorie de la relativité d'Einstein qui éclaire le côté qui tourne vers le spectateur et atténue le côté qui tourne.
Une vue de face du système met en évidence l'image déformée du plus petit trou noir (en médaillon) de son plus grand compagnon. Pour atteindre la caméra, le plus petit trou noir doit courber la lumière de son compagnon rouge de 90 degrés. Le disque d'accrétion de cette image secondaire apparaît sous la forme d'une ligne, ce qui signifie que nous voyons une vue latérale du compagnon rouge - tout en le voyant simultanément d'en haut. Une image secondaire du disque bleu se forme également juste à l'extérieur de l'anneau lumineux le plus proche du plus grand trou noir, trop. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA/Jeremy Schnittman et Brian P. Powell
La visualisation montre également un phénomène plus subtil appelé aberration relativiste. Les trous noirs apparaissent plus petits à mesure qu'ils s'approchent du spectateur et plus grands lorsqu'ils s'éloignent.
Ces effets disparaissent lors de la visualisation du système d'en haut, mais de nouvelles fonctionnalités apparaissent. Les deux trous noirs produisent de petites images de leurs partenaires qui tournent autour d'eux à chaque orbite. En regardant de plus près, il est clair que ces images sont en fait des vues de bord. Pour les produire, la lumière des trous noirs doit être redirigée de 90 degrés, ce qui signifie que nous observons les trous noirs sous deux angles différents - face et bord - en même temps.
"Un aspect frappant de cette nouvelle visualisation est la nature auto-similaire des images produites par la lentille gravitationnelle, " a expliqué Schnittman. " Zoomer sur chaque trou noir révèle plusieurs, des images de plus en plus déformées de son partenaire."
Schnittman a créé la visualisation en calculant le chemin emprunté par les rayons lumineux des disques d'accrétion alors qu'ils se frayaient un chemin à travers l'espace-temps déformé autour des trous noirs. Sur un ordinateur de bureau moderne, les calculs nécessaires pour faire les images du film auraient pris environ une décennie. Schnittman s'est donc associé au scientifique des données de Goddard, Brian P. Powell, pour utiliser le supercalculateur Discover du NASA Center for Climate Simulation. En utilisant seulement 2% des 129 de Discover, 000 processeurs, ces calculs ont pris environ une journée.
Les astronomes s'attendent à ce que, dans un avenir pas si lointain, ils seront capables de détecter les ondes gravitationnelles - les ondulations dans l'espace-temps - produites lorsque deux trous noirs supermassifs dans un système semblable à celui que Schnittman a représenté en spirale ensemble et fusionnent.
