Grâce à une nouvelle simulation de jets de plasma issus de trous noirs, des scientifiques ont pu démontrer comment les particules peuvent s’accaparer l’énergie de ces « gouffres cosmiques » géants pour échapper à leur attraction gravitationnelle.

Les trou noirs dévorent tout ce qui se trouve sur leur chemin, y compris la lumière, pour ne jamais les laisser s’échapper une fois qu’ils ont traversé une zone de non-retour appelée horizon des événements.

Mais un phénomène observé par les scientifiques est resté longtemps sans explications : les trous noirs libèrent de l’énergie piégée dans leur rotation, en projetant des jets de plasma dans l’espace, jusqu’à des millions d’années-lumière, laissant une chance à certaines matières d’éviter de se faire avaler définitivement.

Une équipe de chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley, de l’Université de Californie à Berkeley, et du ministère de l’énergie, a effectué des simulations en utilisant des anciennes théories qui leur auraient permis de comprendre comment les jets de plasma récupèrent l’énergie du champ gravitationnel des trous noirs pour pouvoir se propulser.

« Comment extraire l’énergie de la rotation d’un trou noir pour créer des jets ? C’est une question de longue date », déclare Kyle Parfrey, principal auteur de l’étude publiée cette semaine.

La simulation combine une théorie selon laquelle les courants électriques entourant les trous noirs tordent les champs magnétiques permettant la formation des jets de plasma, avec une autre théorie expliquant comment les particules traversant l’horizon des événements semblent, pour un observateur lointain, contenir de l’énergie négative et puissent réduire l’énergie de rotation globale du trou noir, ce qui lui ferait perdre de la masse.

La simulation ci-dessous montre un trou noir en rotation (en bas) et un jet de plasma sans collision (en haut). On y voit les densités d’électrons et de positrons, ainsi que les lignes de champ magnétique. La « surface ergonomique » du trou noir, à l’intérieur de laquelle toutes les particules doivent tourner dans le même sens que ce dernier, est indiquée en vert. [Crédits : Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab]

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Cependant, de nombreux facteurs compliquent la modélisation informatique de la physique des jets de plasma, qui doit impliquer la création de paires d’électrons et de positrons, le mécanisme d’accélération des particules et l’émission de lumière dans les jets.

Pour Parfrey, une association du domaine de la physique du plasma et de la théorie de la relativité générale était nécessaire pour pouvoir effectuer ces simulations complexes.

Les chercheurs ont donc réalisé, pour la première fois, des simulations avec de nouvelles techniques numériques permettant la constitution d’un modèle de plasma sans collisions (où les effets des collisions entre des particules chargées sont négligés), en présence d’un puissant champ gravitationnel assimilé à un trou noir.

Comme prévu, ils ont observé dans la simulation le mécanisme de Blandford-Znajek, qui explique la torsion des champs magnétiques formant les jets, ainsi que le processus de Penrose, qui décrit ce qui se produit lorsque des particules à énergie négative sont absorbées par un trou noir. Penfrey est convaincu que ce dernier processus est intimement lié aux courants électriques qui tordent les champs magnétiques des jets.

Selon le groupe, un fragment de matière qui se déplace autour du trou noir se brise soudainement en deux, et une partie disparaît dans l’horizon des événements, tandis que l’autre (l’antimatière) s’échappe en « volant » de l’énergie au trou noir pour s’éjecter dans l’espace. Le processus de Penrose expliquait déjà la possibilité d’extraction de l’énergie de rotation des trous noirs par des particules négatives.

Il note cependant que les simulations de son équipe doivent encore rattraper les observations, et que, bien qu’elles soient plus détaillés que d’anciens modèles, elles sont idéalisées pour certains facteurs, afin de simplifier les nombreux calculs.

Leur objectif est une modélisation améliorée du mécanisme de formation de la paire électron-positron (matière-antimatière) dans les jets, afin d’étudier de manière plus réaliste la distribution et le rayonnement des jets de plasma, pour les comparer avec les observations. Ils espèrent également ajouter à ces simulations le disque d’accrétion, qui est le flux de matière infiltrante se trouvant autour de l’horizon des évènements.

« Nous espérons donner une image plus cohérente de l’ensemble du problème », explique Penfrey. Les informations tirées des simulations pourraient être comparées avec les observations des jets de plasma par le réseau de télescopes Event Horizon, qui permettra des analyses de nombreux trous noirs, dont celui situé au centre de la Voie lactée, Sagittarius A*.

Source : Physical Review Letters

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