Les astronomes continuent de développer des simulations informatiques pour aider les futurs observatoires à mieux repérer les trous noirs, les habitants les plus insaisissables de l'univers.

Bien que les trous noirs existent probablement en abondance dans l'univers, ils sont notoirement difficiles à voir. Les scientifiques n'ont capturé la première image radio d'un trou noir qu'en 2019, et seulement environ quatre douzaines de fusions de trous noirs ont été détectées grâce à leurs ondulations gravitationnelles caractéristiques depuis la première détection en 2015.

Ce n'est pas beaucoup de données avec lesquelles travailler. Les scientifiques se tournent donc vers les simulations de trous noirs pour obtenir des informations cruciales qui aideront à trouver plus de fusions avec de futures missions. Certaines de ces simulations, créé par des scientifiques comme l'astrophysicien Scott Noble, suivre les systèmes binaires de trous noirs supermassifs. C'est là que deux trous noirs monstres comme ceux trouvés dans les centres des galaxies orbitent étroitement l'un autour de l'autre jusqu'à ce qu'ils finissent par fusionner.

Les simulations, créé par des ordinateurs travaillant sur des ensembles d'équations trop compliqués à résoudre à la main, illustrer comment la matière interagit dans les environnements de fusion. Les scientifiques peuvent utiliser ce qu'ils ont appris sur les fusions de trous noirs pour identifier certaines caractéristiques révélatrices qui leur permettent de distinguer les fusions de trous noirs des événements stellaires. Les astronomes peuvent ensuite rechercher ces signes révélateurs et repérer les fusions de trous noirs dans la vie réelle.

Noble, qui travaille au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, dit que ces systèmes binaires émettent des ondes gravitationnelles et influencent les gaz environnants, conduisant à des spectacles de lumière uniques détectables avec des télescopes conventionnels. Cela permet aux scientifiques d'en apprendre davantage sur les différents aspects du même système. Des observations multimessagers qui combinent différentes formes d'ondes lumineuses ou gravitationnelles pourraient permettre aux scientifiques d'affiner leurs modèles de systèmes binaires de trous noirs.

"Nous comptons sur la lumière pour tout voir là-bas, " dit Noble. " Mais tout n'émet pas de lumière, donc la seule façon de « voir » directement deux trous noirs est à travers les ondes gravitationnelles qu'ils génèrent. Les ondes gravitationnelles et la lumière du gaz environnant sont des moyens indépendants d'apprendre le système, et l'espoir est qu'ils se rencontreront au même point."

Les simulations binaires de trous noirs peuvent également aider la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Cet observatoire spatial des ondes gravitationnelles, dirigé par l'Agence spatiale européenne avec des contributions importantes de la NASA, devrait être lancé en 2034. Si les simulations déterminent quelles caractéristiques électromagnétiques distinguent un système de trou noir binaire d'autres événements, les scientifiques pourraient détecter ces systèmes avant que LISA ne vole, dit Noble. Ces observations pourraient ensuite être confirmées par des détections supplémentaires une fois LISA lancé.

Cela permettrait aux scientifiques de vérifier que LISA fonctionne, observer les systèmes pendant une période plus longue avant qu'ils ne fusionnent, prédire ce qui va se passer, et tester ces prédictions.

"Nous n'avons jamais été capables de faire ça avant, " a dit Noble. " C'est vraiment excitant. "

Les simulations reposent sur un code qui décrit comment la densité et la pression du plasma changent dans les régions de forte gravité à proximité d'un seul trou noir ou d'une étoile à neutrons, dit Noble. Il a modifié le code pour permettre à deux trous noirs d'évoluer.

Noble travaille avec Goddard et des partenaires universitaires, dont Bernard Kelly à l'Université du Maryland, Manuela Campanelli dirige une équipe de chercheurs au Rochester Institute of Technology, et Julian Krolik à la tête d'une équipe de recherche de l'Université Johns Hopkins.

Kelly crée des simulations à l'aide d'une approche spéciale appelée simulation de perforation mobile.

Ces simulations permettent aux scientifiques d'éviter de représenter une singularité à l'intérieur de l'horizon des événements - la partie du trou noir dont rien ne peut s'échapper, dit Kelly. Tout en dehors de cet horizon événementiel évolue, tandis que les objets à l'intérieur restent gelés depuis le début de la simulation. Cela permet aux scientifiques d'ignorer le fait qu'ils ne savent pas ce qui se passe dans un horizon d'événements.

Pour imiter des situations réelles, où les trous noirs accumulent des disques d'accrétion de gaz, poussière, et la matière diffuse, les scientifiques doivent incorporer un code supplémentaire pour suivre comment le matériau ionisé interagit avec les champs magnétiques.

"Nous essayons de coller ensemble de manière transparente et correcte différents codes et méthodes de simulation pour produire une image cohérente, ", a déclaré Kelly.

En 2018, l'équipe a publié une analyse d'une nouvelle simulation en Le Journal d'Astrophysique qui incorporait pleinement les effets physiques de la théorie de la relativité générale d'Einstein pour montrer les effets d'une fusion sur l'environnement qui l'entoure. La simulation a établi que le gaz dans les systèmes binaires de trous noirs brillera principalement dans la lumière ultraviolette et les rayons X.

Les simulations ont également montré que les disques d'accrétion dans ces systèmes ne sont pas complètement lisses. Une touffe dense se forme en orbite autour du binaire, et chaque fois qu'un trou noir se referme, il arrache de la matière à la touffe. Cette collision réchauffe l'affaire, produisant un signal lumineux et créant une fluctuation observable de la lumière.

En plus d'améliorer leur confiance dans l'exactitude des simulations, Goddard astrophysicist Jeremy Schnittman said they also need to be able to apply the same simulation code to a single black hole or a binary and show the similarities and also the differences between the two systems.

"The simulation are going to tell us what the systems should look like, " Schnittman said. "LISA works more like a radio antenna as opposed to an optical telescope. We're going to hear something in the universe and get its basic direction, but nothing very precise. What we have to do is take other telescopes and look in that part of the sky, and the simulations are going to tell us what to look for to find a merging black hole."

Kelly said LISA will be more sensitive to lower gravitational wave frequencies than the current ground-based gravitational wave observer, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). That means LISA will be able to sense smaller-mass binary systems much earlier and will likely detect merging systems in time to alert electromagnetic telescopes.

For Schnittman, these simulations are key to understanding the real-life data LISA and other spacecraft collect. The case for models may be even stronger for binary black holes, Schnittman said, because the scientific community has little data.

"We probably will never find a binary black hole with a telescope until we simulate them to the point we know exactly what we're looking for, because they're so far away, they're so tiny, you're going to see just one speck of light, " Schnittman said. "We need to be able to look for that smoking gun."