De nouvelles recherches révèlent que les trous noirs supermassifs dévorent la matière environnante plus rapidement qu’on ne le pensait auparavant. Ces informations proviennent de simulations à haute résolution et pourraient expliquer pourquoi les quasars éclatent et disparaissent si rapidement. Une nouvelle étude menée par l’Université Northwestern change la façon dont les astrophysiciens comprennent les habitudes alimentaires des trous noirs supermassifs. Des chercheurs précédents supposaient que les trous noirs se nourrissaient lentement, mais de nouvelles simulations montrent que les trous noirs engloutissent la nourriture beaucoup plus rapidement que ne le pensait la sagesse conventionnelle.
La recherche a été publiée dans l'Astrophysical Journal le 20 septembre.
Informations sur la simulation
Selon de nouvelles simulations tridimensionnelles à haute résolution, un trou noir en rotation déforme l’espace-temps qui l’entoure, déchirant finalement le violent vortex de gaz, ou disque d’accrétion, qui entoure et alimente le trou noir. Cela provoque la déchirure du disque d’accrétion en deux sous-disques, un interne et un externe. Le trou noir dévore d’abord l’anneau intérieur. Ensuite, des fragments du sous-disque externe se déversent vers l'intérieur, remplissant le vide laissé par l'anneau intérieur entièrement dévoré, et le processus de dévoration se répète.
Un cycle de répétition sans fin du processus « manger » – « manger » – « manger à nouveau » ne prend que quelques mois – un délai incroyablement rapide comparé aux centaines d’années proposées précédemment par les chercheurs.
Cette nouvelle découverte contribue à expliquer le comportement spectaculaire de certains des objets les plus brillants du ciel nocturne, notamment les quasars, qui s'enflamment soudainement puis disparaissent sans raison apparente.
Nick Kaaz, de l'Université Northwestern, qui a dirigé l'étude, a déclaré : « La théorie classique du disque d'accrétion prédit que le disque d'accrétion évoluera lentement. Mais certains quasars – des trous noirs dévorant le gaz dans le disque d'accrétion – semblent subir des changements spectaculaires sur des échelles de temps allant de plusieurs mois à plusieurs années. Il est possible que l’éclaircissement et l’assombrissement rapides observés dans nos simulations soient cohérents avec la destruction des régions internes du disque. »
Kaaz est étudiant diplômé en astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de l'Université Northwestern et membre du Centre d'exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA). Kaaz était supervisé par le co-auteur Alexander Tchekhovskoy, professeur agrégé de physique et d'astronomie au Weinberg College et membre du CIERA.
fausse hypothèse
Les disques d’accrétion entourant les trous noirs sont des objets physiquement très complexes et donc difficiles à modéliser. Les théories conventionnelles ont eu du mal à expliquer pourquoi ces disques brillent si fort puis s'assombrissent soudainement - et disparaissent parfois complètement.
Les chercheurs précédents croyaient à tort que les disques d’accrétion étaient relativement ordonnés. Dans ces modèles, le gaz et les particules gravitent autour du trou noir – dans le même plan que le trou noir et dans la même direction que la rotation du trou noir. Ensuite, sur des échelles de temps allant de centaines à centaines de milliers d’années, les particules de gaz s’enroulent progressivement dans le trou noir et l’alimentent.
"Pendant des décennies, les gens ont supposé que le disque d'accrétion était aligné avec la rotation du trou noir", a déclaré Kaaz. "Mais le gaz qui alimente ces trous noirs ne sait pas nécessairement dans quel sens les trous noirs tournent, alors pourquoi s'alignent-ils ? Changer l'alignement change radicalement la donne."
La simulation des chercheurs, l'une des simulations de disque d'accrétion à la plus haute résolution à ce jour, montre que la région autour d'un trou noir est beaucoup plus chaotique et turbulente qu'on ne le pensait auparavant.
Plus comme un gyroscope qu'une assiette
Les chercheurs ont utilisé Summit, l'un des plus grands superordinateurs au monde du laboratoire national d'Oak Ridge, pour effectuer des simulations magnétohydrodynamiques relativistes générales tridimensionnelles (GRMHD) d'un mince disque d'accrétion incliné. Alors que les simulations précédentes n'étaient pas assez puissantes pour inclure toute la physique nécessaire à la construction d'un véritable trou noir, le modèle dirigé par Northwestern intègre la dynamique des gaz, les champs magnétiques et la relativité générale pour construire une image plus complète.
"Les trous noirs sont des objets de la relativité générale extrême qui affectent l'espace-temps environnant", a déclaré Kaaz. "Ainsi, lorsque les trous noirs tournent, ils entraînent l'espace autour d'eux comme un manège géant, forçant l'espace à tourner également - un phénomène connu sous le nom de" traînée de trame ". Cela crée un effet très fort à proximité du trou noir, et devient de plus en plus faible plus loin."
La traînée d’image fait osciller le disque entier en cercle, semblable au prétraitement d’un gyroscope. Mais l’intérieur du disque oscille beaucoup plus vite que l’extérieur. Cette inadéquation des forces provoque la déformation du disque entier, provoquant la collision des gaz provenant de différentes parties du disque. Les fortes ondes de choc créées par la collision poussent violemment la matière de plus en plus près du trou noir.
À mesure que la déformation s’accentue, la région la plus interne du disque d’accrétion continue d’osciller de plus en plus vite jusqu’à ce qu’elle se détache du reste du disque. Puis, sur la base de nouveaux résultats de simulation, les sous-disques commencent à évoluer indépendamment les uns des autres. Au lieu de se déplacer en douceur comme des plaques plates autour du trou noir, les sous-disques vacillent indépendamment à des vitesses et à des angles différents, comme les roues d'un gyroscope.
"Au fur et à mesure que le disque interne se déchire, il effectue un prétraitement indépendant. Son mouvement vers l'avant est plus rapide car il est plus proche du trou noir et, comme il est plus petit, il peut se déplacer plus facilement", a déclaré Kaaz.
OĂą les trous noirs gagnent
Selon les nouvelles simulations, la zone de déchirure, là où les sous-disques internes et externes se déconnectent, est l'endroit où commence réellement la frénésie alimentaire. Tandis que la friction tente de maintenir le disque ensemble, la distorsion de l'espace-temps provoquée par le trou noir en rotation tente de le déchirer.
"Il existe une compétition entre la rotation du trou noir et la friction et la pression à l'intérieur du disque", a déclaré Katz. "La zone de déchirure est l'endroit où le trou noir gagne. Les disques interne et externe entrent en collision. Le disque externe rase les couches du disque interne, le poussant vers l'intérieur."
Désormais, les sous-disques se croisent sous différents angles. Le disque externe déverse le matériau sur le disque interne. Cette masse supplémentaire pousse également le disque interne vers le trou noir, l’engloutissant. La propre gravité du trou noir attire ensuite le gaz des régions extérieures vers les régions intérieures désormais vides, le remplissant ainsi.
La connexion entre les quasars
Ce cycle rapide de « manger-manger-manger » pourrait expliquer ce que l'on appelle « l'apparence changeante » des quasars, a déclaré Katz. Les quasars sont des objets extrêmement brillants qui émettent 1 000 fois plus d’énergie que les 200 à 400 milliards d’étoiles de l’ensemble de la Voie lactée. Les changements de quasars sont encore plus extrêmes. Ils semblent clignoter sur une période de plusieurs mois – une période extrêmement courte pour un quasar typique.
Bien que la théorie classique fasse des hypothèses sur la vitesse d’évolution du disque d’accrétion et les changements de luminosité, les observations de quasars déformés suggèrent qu’ils évoluent en réalité beaucoup plus rapidement.
"La région interne du disque d'accrétion, d'où provient la majeure partie de la luminosité, peut disparaître complètement, rapidement en quelques mois. Nous pouvons la voir disparaître complètement. Le système ne s'allume plus. Ensuite, il redevient plus lumineux et le processus se répète. La théorie conventionnelle ne peut pas expliquer pourquoi il disparaît en premier lieu, ni comment il se remplit si rapidement. "
La nouvelle simulation a le potentiel non seulement d’expliquer les quasars, mais aussi de répondre à des questions de longue date sur la nature mystérieuse des trous noirs.
"La manière dont le gaz pénètre dans un trou noir pour l'alimenter est une question centrale dans la physique des disques d'accrétion", a déclaré Katz. "Si vous savez comment cela se produit, vous pouvez savoir combien de temps dure le disque, quelle est sa luminosité et à quoi devrait ressembler la lumière lorsque nous l'observons avec un télescope."