Supercomputer simulations offer explanation for X-ray radiation from black holes
Des simulations sur superordinateur permettent d'expliquer le rayonnement X des trous noirs
par l'Université d'Helsinki
Une visualisation montre comment le plasma turbulent se déplace dans la couronne du disque d'accrétion magnétisé. Crédit : Jani Närhi
Des chercheurs de l'Université d'Helsinki ont réussi un objectif poursuivi depuis les années 1970 : expliquer le rayonnement X des environs des trous noirs. Le rayonnement provient de l'effet combiné des mouvements chaotiques des champs magnétiques et du gaz plasma turbulent.
À l'aide de simulations détaillées sur superordinateur, des chercheurs de l'Université d'Helsinki ont modélisé les interactions entre le rayonnement, le plasma et les champs magnétiques autour des trous noirs. Ils ont découvert que les mouvements chaotiques, ou turbulences, causés par les champs magnétiques chauffent le plasma local et le font rayonner.
L'étude a été publiée dans Nature Communications. La simulation utilisée dans l'étude est le premier modèle de physique du plasma à inclure toutes les interactions quantiques importantes entre le rayonnement et le plasma.
FrançaisFocus sur le rayonnement X des disques d'accrétion
Un trou noir se forme lorsqu'une grande étoile s'effondre en une concentration de masse si dense que sa gravité empêche même la lumière de s'échapper de sa sphère d'influence. C'est pourquoi, au lieu d'une observation directe, les trous noirs ne peuvent être observés que par leurs effets indirects sur l'environnement.
La plupart des trous noirs observés ont une étoile compagne avec laquelle ils forment un système d'étoiles binaires. Dans un système binaire, deux objets gravitent en orbite l'un autour de l'autre et la matière de l'étoile compagne s'enroule lentement dans le trou noir. Ce flux de gaz qui s'écoule lentement forme souvent un disque d'accrétion autour du trou noir, une source lumineuse et observable de rayons X.
Depuis les années 1970, des tentatives ont été faites pour modéliser le rayonnement des flux d'accrétion autour des trous noirs. À l'époque, on pensait déjà que les rayons X étaient générés par l'interaction du gaz local et des champs magnétiques, de la même manière que l'environnement du soleil est chauffé par son activité magnétique via les éruptions solaires.
« Les éruptions dans les disques d'accrétion des trous noirs sont comme des versions extrêmes des éruptions solaires », explique le professeur associé Joonas Nättilä, qui dirige le groupe de recherche Computational Plasma Astrophysics à l'Université d'Helsinki, spécialisé dans la modélisation de ce type de plasma extrême.
Interaction rayonnement-plasma
Les simulations ont démontré que la turbulence autour des trous noirs est si forte que même les effets quantiques deviennent importants pour la dynamique du plasma.
Dans le mélange modélisé de plasma électron-positon et de photons, le rayonnement X local peut se transformer en électrons et positons, qui peuvent ensuite s'annihiler à nouveau en rayonnement, lorsqu'ils entrent en contact.
Nättilä décrit comment les électrons et les positons, qui sont des antiparticules les uns des autres, ne se produisent généralement pas au même endroit. Cependant, l'environnement extrêmement énergétique des trous noirs rend même cela possible. En général, le rayonnement n'interagit pas non plus avec le plasma. Cependant, les photons sont si énergétiques autour des trous noirs que leurs interactions sont également importantes pour le plasma.
« Dans la vie de tous les jours, de tels phénomènes quantiques, où la matière apparaît soudainement à la place d'une lumière extrêmement brillante, ne sont bien sûr pas observés, mais à proximité des trous noirs, ils deviennent cruciaux », explique Nättilä.
« Il nous a fallu des années pour étudier et intégrer aux simulations tous les phénomènes quantiques se produisant dans la nature, mais au final, cela en valait la peine », ajoute-t-il.
Une image précise des origines du rayonnement
L'étude a démontré que le plasma turbulent produit naturellement le type de rayonnement X observé à partir des disques d'accrétion. La simulation a également permis, pour la première fois, de voir que le plasma autour des trous noirs peut être dans deux états d'équilibre distincts, en fonction du champ de rayonnement externe. Dans un état, le plasma est transparent et froid, tandis que dans l'autre, il est opaque et chaud.
« Les observations aux rayons X des disques d'accrétion des trous noirs montrent exactement le même type de variation entre les états dits mous et durs », souligne Nättilä.
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Les simulations de superordinateurs offrent une explication au rayonnement X des trous noirs
Des chercheurs de l'Université d'Helsinki ont réussi quelque chose qui était poursuivi depuis les années 1970 : expliquer le rayonnement X des environs des trous noirs. Le rayonnement provient de l'effet combiné des mouvements chaotiques des champs magnétiques et du gaz plasma turbulent.
2/Qu'est-ce que la simulation d'un trou noir ?Idépendament
réalisée sur un mpdèle théorique par supercalculateur de la NASA, la simulation suit une caméra alors qu'elle s'approche, orbite brièvement, puis traverse l'horizon des événements - le point de non-retour - d'un trou noir monstrueux très semblable à celui du centre de notre galaxie.
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More information: Joonas Nättilä, Radiative plasma simulations of black hole accretion flow coronae in the hard and soft states, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51257-1
Journal information: Nature Communications
Provided by University of Helsinki
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