L’origine des éruptions lumineuses éclairant les trous noirs supermassifs enfin dévoilée

En 2021, les scientifiques de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) livraient une image des abords de M87*, un trou noir supermassif situé dans la galaxie supergéante Messier 87, révélant les puissants champs magnétiques qui existent tout autour de ces objets supermassifs. Aujourd’hui, des chercheurs du Flatiron Institute de New York ont découvert que la rupture et la reconnexion des lignes de ces champs magnétiques libèrent assez d’énergie pour accélérer les particules et provoquer des éruptions intenses.

Un trou noir provient, le plus souvent, de l’effondrement d’une étoile : lorsque la réserve d’hydrogène d’une étoile est épuisée, son noyau s’effondre sous l’effet de sa propre gravité. Trois scénarios sont alors possibles, en fonction de la masse de l’étoile : soit le noyau devient une naine blanche, soit une étoile à neutrons, soit un trou noir.

En 1939, le physicien Robert Oppenheimer estime qu’une étoile en fin de vie ayant une masse supérieure à 3 fois la masse solaire s’effondrerait et deviendrait un trou noir, absorbant toute matière à proximité, y compris la lumière.

Scintillements énigmatiques dans l’obscurité des trous noirs

Le point central d’un trou noir est appelé la singularité. La matière environnante, avant d’être avalée, se déplace en orbite autour du trou noir, créant un disque de gaz et de poussières : le disque d’accrétion. L’horizon des événements d’un trou noir est la frontière immatérielle à partir de laquelle la vitesse de libération atteint celle de la lumière dans le vide. En d’autres termes, il s’agit de la région d’où aucun objet, ni même un rayon de lumière, ne peut s’échapper. Les trous noirs ne sont donc pas visibles directement : il faut détecter des zones intenses de rayons X (rayonnement émis par le disque d’accrétion) pour les déceler.

Les astronomes ont repéré des éruptions rapides de rayons γ (constitués de photons, comme la lumière visible ou le rayonnement X, mais beaucoup plus énergétiques) à partir de noyaux galactiques actifs, sous forme d’émissions à très haute énergie (> 100 GeV). Les éruptions montrent une échelle de temps de montée et de décroissance du flux d’énergie de 1 à 3 jours, puis le système se « réinitialise ».

Des éruptions lumineuses de l’ordre du TeV sont observées périodiquement depuis le trou noir supermassif M87*. Tout comme lui, le trou noir au centre de notre galaxie, Sgr A*, montre d’intrigantes éruptions infrarouges et de rayons X sur des échelles de temps courtes et proches de l’horizon des évènements. En 2021, pour la première fois, un rayonnement provenant de l’arrière d’un trou noir a été observé.

Mais comme l’indique son nom, un trou noir n’émet aucune lumière, cette dernière doit provenir de l’extérieur de l’horizon des événements du trou noir. Les trous noirs supermassifs ont la faculté de former une sphère de particules à très haute énergie autour de l’horizon des événements, une structure appelée couronne. Comme l’explique l’Agence Spatiale Européenne, « les astronomes pensent que la couronne provient du gaz qui tombe en permanence dans le trou noir, où il forme un disque en rotation, comme de l’eau s’évacuant d’une baignoire. Le disque est chauffé à des millions de degrés [si chaud que les atomes sont dépouillés de leurs électrons, formant un plasma magnétisé] et génère des champs magnétiques qui se tordent à cause du trou noir en rotation. Le champ magnétique finit par rompre et relâcher l’énergie accumulée. Cela chauffe l’environnement et produit une couronne d’électrons à haute énergie générant les rayonnements X ». Jusqu’à présent, les ordinateurs ne pouvaient simuler que des systèmes de trous noirs à des résolutions trop faibles pour visualiser le mécanisme qui alimente ces éruptions.

Des simulations ultra-précises pour comprendre les trous noirs

Ripperda, co-auteur principal de l’étude et chercheur conjoint au Flatiron Institute’s Center for Astrophysique computationnelle (CCA) à New York et à l’Université de Princeton et ses collègues, ont utilisé la puissance et le temps de calcul de trois superordinateurs : le superordinateur Summit du laboratoire national d’Oak Ridge dans le Tennessee, le superordinateur Longhorn de l’Université du Texas à Austin et le Popeye du Flatiron Institute (situé à l’Université de Californie à San Diego). La résolution de la simulation est plus de 1000 fois supérieure aux précédentes !

Ces simulations hors normes ont donné aux chercheurs une image sans précédent des mécanismes conduisant à une éruption. Le processus est centré sur le champ magnétique du trou noir. Ce dernier possède des lignes de champ magnétique jaillissant de l’horizon des événements ; elles forment le jet d’énergie et se connectent au disque d’accrétion. Les interactions entre le champ magnétique et le matériau du disque tombant dans le centre du trou noir provoquent la compression, l’aplatissement, la rupture et la reconnexion du champ.

Ainsi, lorsque deux lignes de champ magnétique, pointant dans des directions opposées, se rencontrent, elles peuvent se rompre, se reconnecter et s’emmêler. Entre les points de connexion, une poche se forme dans le champ magnétique. Ces poches sont remplies de plasma chaud qui soit tombe dans le trou noir, soit est catapulté à une vitesse proche de celle de la lumière dans l’espace, en émettant immédiatement une grande quantité d’énergie sous forme de photons. Ces photons sont responsables des éruptions lumineuses.

Les auteurs de l’étude pensent que les observations du télescope spatial James Webb récemment lancé, combinées à celles du télescope terrestre Event Horizon, pourraient confirmer si le processus observé dans les nouvelles simulations se produit réellement.

Source : The Astrophysical Journal Letters