Simulation d'un système de trou noir dans un état déséquilibré. Crédit :J.R. Touma, S. Tremaine, et M.V. Kazandjian
Au centre de la galaxie, des millions d'étoiles tourbillonnent en orbite autour d'un trou noir supermassif. Ce circuit peut durer de quelques heures pour les étoiles proches de l'horizon des événements du trou noir à des milliers d'années pour leurs voisins éloignés. La nature de la danse – la façon dont les étoiles interagissent collectivement grâce à leurs forces gravitationnelles – peut varier d'une galaxie à l'autre.
Dans le journal, "Transition de phase ordre-désordre dans les amas d'étoiles à trou noir, " Publié dans Lettres d'examen physique le 12 juillet, 2019, des scientifiques de l'Institute for Advanced Study, Université américaine de Beyrouth, et l'Université de Leiden ont fait les premiers pas vers la compréhension des schémas orbitaux collectifs qui émergent dans les amas d'étoiles entourant un trou noir supermassif. En étudiant ces amas d'étoiles et leur évolution, les chercheurs glanent de nouvelles informations sur le comportement des trous noirs supermassifs et leur influence sur leur environnement stellaire.
Sur la base d'une série de modèles numériques et de simulations, l'équipe a montré que les amas d'étoiles de trous noirs peuvent subir une transition de phase d'un état sphérique à un état déséquilibré lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température dynamique critique. Cette transition de phase, dans certains sens, est similaire à la transition de phase qui se produit lorsqu'un liquide se transforme en solide. Tout comme les molécules peuvent passer d'un état liquide désordonné à un état où elles sont figées sur place, ces amas d'étoiles sont capables d'atteindre l'équilibre dans une structure désordonnée (sphérique) ou ordonnée (déséquilibrée), en fonction de leurs propriétés et de leur environnement.
Transition de phase simulée du système de trou noir de l'état sphérique à l'état déséquilibré. Crédit :J.R. Touma, S. Tremaine, et M.V. Kazandjian
"Ces systèmes présentent un comportement étonnamment riche, avec des parallèles remarquables avec des phénomènes de laboratoire bien étudiés tels que la congélation et le ferromagnétisme, " a déclaré Scott Tremaine, Richard Black Professeur à l'Institute for Advanced Study, l'un des trois auteurs de l'article. "Ces nouveaux phénomènes peuvent considérablement changer notre compréhension de l'environnement des trous noirs supermassifs et améliorer notre capacité à comprendre les taux et les propriétés des fusions de trous noirs supermassifs, consommation d'étoiles par les trous noirs, et d'autres phénomènes au centre des galaxies."
Un amas d'étoiles nucléaires déséquilibré entourant un trou noir supermassif est visible sur les images du télescope spatial Hubble de la galaxie d'Andromède à proximité. D'autre part, notre galaxie de la Voie lactée et M87, récemment imagés par le télescope Event Horizon, abritent des amas sphériques. Pour les galaxies plus lointaines, les amas d'étoiles nucléaires sont trop petits pour être imagés par les télescopes existants, mais les formes des amas peuvent fortement influencer les événements transitoires que nous pouvons observer, tels que les éruptions d'étoiles perturbées par les marées et les signaux d'ondes gravitationnelles des étoiles en spirale dans le trou noir.
« Le présent travail est, à plus d'un titre, l'aboutissement de notre programme de recherche sur les propriétés thermiques des amas d'étoiles de trous noirs. Il jette les bases de l'étude de leur réponse collective aux perturbations évolutives et environnementales, " a déclaré Jihad Touma, un autre des auteurs de l'article. "Nous pensons que les systèmes modèles que nous avons identifiés et analysés sont suffisamment réalistes et polyvalents pour jouer pour la gravité le rôle que le modèle d'Ising a joué et continue de jouer pour le magnétisme."
Une enquête plus approfondie sur la formation et l'évolution des amas d'étoiles nucléaires sera nécessaire pour déterminer la fréquence à laquelle les transitions de phase de ce type se produisent dans la nature. Cependant, la présence d'un amas déséquilibré à Andromède, la plus proche grande galaxie voisine de notre galaxie, suggère qu'il s'agit d'un processus commun dans l'univers.
L'équipe de recherche se compose de Jihad Touma de l'Université américaine de Beyrouth et d'un ancien membre et visiteur de l'IAS (2007-09; 2013-14; 2017) à la School of Natural Sciences; Scott Tremaine de l'Institute for Advanced Study; et Mher Kazandjian de l'Université de Leyde.
Un lien vers le document détaillant les méthodes de l'équipe est disponible ici. L'équipe reconnaît l'utilisation des installations informatiques de l'IAS pour effectuer des calculs essentiels à leur travail.
