La NASA publie une nouvelle simulation ultra-détaillée de la dynamique d’un trou noir

Il y a quelques mois, la collaboration de l’Event Horizon Telescope rendait publique la première image d’un trou noir supermassif ; celle de M87*. Si une telle image a permis de conforter les modèles actuels concernant les trous noirs basés sur la relativité générale, de nombreux points concernant ces objets restent encore à éclaircir. Pour ce faire, les astrophysiciens effectuent des simulations détaillées afin de mieux comprendre la dynamique des trous noirs. Et récemment, la NASA a publié une simulation ultra-détaillée d’un trou noir supermassif actif pour la Black Hole Week.

Les trous noirs supermassifs sont situés au centre de la plupart des grandes galaxies, et la façon dont ils y sont arrivés est un mystère. Qui est venu en premier, le trou noir ou la galaxie (?), est l’une des grandes questions de la cosmologie. Les trous noirs supermassifs font des millions ou des milliards de fois la masse du Soleil ; ils peuvent contrôler la formation d’étoiles ; lorsqu’ils sont actifs, ils sont à l’origine de jets astrophysiques relativistes et de l’émission d’un puissant rayonnement électromagnétique via leur disque d’accrétion.

En fait, la toute première image simulée d’un trou noir, calculée à l’aide d’un ordinateur IBM 7040 à cartes perforées des années 1960 et tracée à la main par l’astrophysicien français Jean-Pierre Luminet en 1978, ressemble beaucoup à la nouvelle simulation de la NASA.

Rayonnement électromagnétique et trous noirs

Dans les deux simulations, il est possible de voir un cercle noir au centre. C’est l’horizon des événements, le point où le rayonnement électromagnétique (lumière, ondes radio, rayons X, etc.) n’est plus assez rapide pour atteindre la vitesse de libération due à l’attraction gravitationnelle du trou noir.

Au milieu de l’objet se trouve le disque d’accrétion. Il génère un rayonnement si intense par friction thermique que nous pouvons le détecter avec nos télescopes — c’est ce que l’on voit sur l’image de M87*. L’anneau de photons, un anneau de lumière autour de l’horizon des événements est également visible.

Il apparaît un large rayon de lumière autour du trou noir. Cette lumière provient en réalité de la partie du disque d’accrétion située derrière le trou noir; mais la gravité est si intense, même en dehors de l’horizon des événements, qu’elle déforme l’espace-temps et courbe le trajet de la lumière autour du trou noir.

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Disque d’accrétion et effet Doppler

Un côté du disque d’accrétion est plus brillant que l’autre. Cet effet est appelé faisceau relativiste et est provoqué par la rotation du disque. La partie du disque qui se déplace vers nous est plus lumineuse car elle se déplace presque à la vitesse de la lumière. Ce mouvement produit un changement de fréquence dans la longueur d’onde de la lumière. C’est ce qu’on appelle l’effet Doppler. Le côté qui s’éloigne de nous est donc plus faible, car ce mouvement a l’effet inverse.

« C’est précisément cette forte asymétrie de luminosité apparente qui est la signature principale d’un trou noir, le seul objet céleste capable de donner une vitesse de rotation aux régions internes d’un disque d’accrétion proche de la vitesse de la lumière et à induire un très fort effet Doppler » explique Luminet.

Cette vidéo montre une révolution complète autour d’un trou noir simulé et de son disque d’accrétion en suivant un chemin perpendiculaire au disque. Le champ gravitationnel extrême du trou noir redirige et déforme la lumière provenant de différentes parties du disque, mais ce que nous voyons dépend exactement de notre angle de vision. La distorsion la plus importante se produit lorsque vous visualisez le système presque à la verticale :

Sources : NASA