Des scientifiques de l'Université de Princeton et du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont développé une nouvelle méthode rigoureuse pour modéliser le disque d'accrétion qui alimente le trou noir supermassif au centre de notre galaxie de la Voie lactée. Le papier, publié en ligne en décembre dans la revue Lettres d'examen physique , fournit une base indispensable pour la simulation des processus extraordinaires impliqués.

Les disques d'accrétion sont des nuages ​​​​de plasma qui orbitent et tourbillonnent progressivement dans des corps massifs tels que des trous noirs - des champs gravitationnels intenses produits par des étoiles qui s'effondrent à une infime fraction de leur taille d'origine. Ces étoiles effondrées sont délimitées par un "horizon des événements, " d'où même la lumière ne peut s'échapper. Alors que les disques d'accrétion s'écoulent vers les horizons des événements, ils alimentent certaines des sources de rayonnement électromagnétique les plus brillantes et les plus énergétiques de l'univers.

Quatre millions de fois la masse du soleil

Le trou noir colossal au centre de la Voie lactée, appelé "Sagittaire A*" car il se trouve dans la constellation du Sagittaire, a une masse gravitationnelle quatre millions de fois supérieure à celle de notre propre soleil. Pourtant, le plasma du disque d'accrétion qui s'enroule dans cette masse est « radiativement inefficace, " ce qui signifie qu'il émet beaucoup moins de rayonnement que ce à quoi on pourrait s'attendre.

"Alors la question est, pourquoi ce disque est-il si calme ?", demande Matthew Kunz, auteur principal de l'article, professeur adjoint de sciences astrophysiques à l'Université de Princeton et physicien à PPPL. Les co-auteurs incluent James Stone, Professeur de Princeton en sciences astrophysiques, et Eliot Quataert, directeur d'astrophysique théorique à l'Université de Californie, Berkeley.

Développer une méthode pour trouver la réponse, les chercheurs ont examiné la nature du disque d'accrétion super chaud du Sagittaire A*. Son plasma est si chaud et dilué qu'il est sans collision, ce qui signifie que les trajectoires des protons et des électrons à l'intérieur du plasma se croisent rarement.

Ce manque de collisionnalité distingue le disque d'accrétion Sagittarius A* des disques plus brillants et plus radiatifs qui orbitent autour d'autres trous noirs. Les disques les plus brillants sont collisionnels et peuvent être modélisés par des formules datant des années 1990, qui traitent le plasma comme un fluide électriquement conducteur. Mais "de tels modèles sont inappropriés pour l'accrétion sur notre trou noir supermassif, " Kunz a dit, car ils ne peuvent pas décrire le processus qui fait que le disque Sagittaire A* sans collision devient instable et descend en spirale.

Traçage de particules sans collision

Pour modéliser le processus du disque Sagittaire A*, l'article remplace les formules qui traitent le mouvement des plasmas collisionnels comme un fluide macroscopique. Au lieu, les auteurs utilisent une méthode que les physiciens appellent « cinétique » pour tracer systématiquement les trajectoires des particules individuelles sans collision. Cette approche complexe, réalisée à l'aide du code informatique Pegasus développé à Princeton par Kunz, Pierre et Xuening Bai, aujourd'hui maître de conférences à l'université Harvard, a produit un ensemble d'équations mieux à même de modéliser le comportement du disque qui orbite autour du trou noir supermassif.

Cette approche cinétique pourrait aider les astrophysiciens à comprendre ce qui fait que la région du disque d'accrétion autour du trou Sagittarius A* émet si peu de lumière. Les résultats pourraient également améliorer la compréhension d'autres questions clés, tels que le comportement des plasmas magnétisés dans des environnements extrêmes et la façon dont les champs magnétiques peuvent être amplifiés.

Le but de la nouvelle méthode, dit Kunz, "sera de produire des modèles plus prédictifs de l'émission de l'accrétion de trous noirs au centre galactique pour comparaison avec les observations astrophysiques." Ces observations proviennent d'instruments tels que l'observatoire à rayons X Chandra, un satellite en orbite terrestre que la NASA a lancé en 1999, et le prochain télescope Event Horizon, un réseau de neuf radiotélescopes terrestres situés dans des pays du monde entier.