Les trous noirs mangent plus vite que prévu

Alors que des chercheurs précédents avaient émis l’hypothèse que les trous noirs se nourrissaient lentement, de nouvelles simulations indiquent que les trous noirs dévorent la nourriture beaucoup plus rapidement que ne le suggèrent les idées conventionnelles.

L’étude sera publiée mercredi 20 septembre dans Le journal d’astrophysique.

Selon de nouvelles simulations 3D à haute résolution, les trous noirs en rotation tordent l’espace-temps environnant, déchirant finalement le violent tourbillon de gaz (ou disque d’accrétion) qui les entoure et les nourrit. Cela entraîne une déchirure du disque en sous-disques internes et externes. Les trous noirs dévorent d’abord l’anneau intérieur. Ensuite, les débris du sous-disque externe se déversent vers l’intérieur pour combler l’espace laissé par l’anneau intérieur entièrement consommé, et le processus de consommation se répète.

Un cycle du processus manger-remplir-manger sans cesse répété ne prend que quelques mois – une échelle de temps incroyablement rapide comparée aux centaines d’années proposées précédemment par les chercheurs.

Cette nouvelle découverte pourrait aider à expliquer le comportement spectaculaire de certains des objets les plus brillants du ciel nocturne, notamment les quasars, qui s’éclairent brusquement puis disparaissent sans explication.

“La théorie classique du disque d’accrétion prédit que le disque évolue lentement”, a déclaré Nick Kaaz de Northwestern, qui a dirigé l’étude. “Mais certains quasars – résultant de trous noirs mangeant le gaz de leurs disques d’accrétion – semblent changer radicalement au fil des mois, voire des années. Cette variation est si drastique. Elle ressemble à la partie interne du disque – où la plupart de la lumière provient – est détruite puis reconstituée. La théorie classique du disque d’accrétion ne peut pas expliquer cette variation drastique. Mais les phénomènes que nous observons dans nos simulations pourraient potentiellement expliquer cela. L’éclaircissement et l’atténuation rapides sont cohérents avec les régions internes du disque. être détruit.”

Kaaz est étudiant diplômé en astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et membre du Centre d’exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA). Kaaz est conseillé par le co-auteur de l’article Alexander Tchekhovskoy, professeur agrégé de physique et d’astronomie à Weinberg et membre du CIERA.

Hypothèses erronées

Les disques d’accrétion entourant les trous noirs sont des objets physiquement complexes, ce qui les rend incroyablement difficiles à modéliser. La théorie conventionnelle a eu du mal à expliquer pourquoi ces disques brillent si fort puis s’éteignent brusquement, parfois au point de disparaître complètement.

Des chercheurs précédents ont supposé à tort que les disques d’accrétion étaient relativement ordonnés. Dans ces modèles, le gaz et les particules tourbillonnent autour du trou noir – dans le même plan que le trou noir et dans la même direction de rotation du trou noir. Ensuite, sur une échelle de temps allant de centaines à plusieurs centaines de milliers d’années, les particules de gaz s’engouffrent progressivement dans le trou noir pour le nourrir.

“Pendant des décennies, les gens ont supposé que les disques d’accrétion étaient alignés avec la rotation du trou noir”, a déclaré Kaaz. “Mais le gaz qui alimente ces trous noirs ne sait pas nécessairement dans quel sens le trou noir tourne, alors pourquoi seraient-ils automatiquement alignés ? Changer l’alignement change radicalement la situation.”

La simulation des chercheurs, qui est l’une des simulations de disques d’accrétion à la plus haute résolution à ce jour, indique que les régions entourant le trou noir sont des endroits beaucoup plus désordonnés et turbulents qu’on ne le pensait auparavant.

Plus comme un gyroscope, moins comme une assiette

À l’aide de Summit, l’un des plus grands superordinateurs au monde situé au laboratoire national d’Oak Ridge, les chercheurs ont réalisé une simulation magnétohydrodynamique relativiste générale (GRMHD) en 3D d’un disque d’accrétion mince et incliné. Alors que les simulations précédentes n’étaient pas assez puissantes pour inclure toute la physique nécessaire à la construction d’un trou noir réaliste, le modèle dirigé par Northwestern inclut la dynamique des gaz, les champs magnétiques et la relativité générale pour dresser un tableau plus complet.

“Les trous noirs sont des objets de la relativité générale extrême qui affectent l’espace-temps qui les entoure”, a déclaré Kaaz. “Ainsi, lorsqu’ils tournent, ils font glisser l’espace autour d’eux comme un carrousel géant et le forcent à tourner également – un phénomène appelé” frame-dragging “. Cela crée un effet très fort à proximité du trou noir, qui devient de plus en plus faible à mesure qu’on s’en éloigne. »

Le déplacement d’image fait osciller le disque entier en cercles, de la même manière qu’un gyroscope précède. Mais le disque interne veut osciller beaucoup plus rapidement que les parties externes. Cette inadéquation des forces provoque la déformation du disque entier, provoquant la collision des gaz provenant de différentes parties du disque. Les collisions créent des chocs lumineux qui rapprochent violemment la matière 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 sépare du reste du disque. Ensuite, selon les nouvelles simulations, les sous-disques commencent à évoluer indépendamment les uns des autres. Au lieu de se déplacer en douceur comme une plaque plate entourant le trou noir, les sous-disques vacillent indépendamment à des vitesses et à des angles différents, comme les roues d’un gyroscope.

“Lorsque le disque interne se détache, il précédera indépendamment”, a déclaré Kaaz. “Il avance plus vite parce qu’il est plus proche du trou noir et parce qu’il est petit, donc plus facile à déplacer.”

“Là où le trou noir gagne”

Selon la nouvelle simulation, la région de déchirure – où les sous-disques internes et externes se déconnectent – ​​est l’endroit où commence véritablement la frénésie alimentaire. Tandis que la friction tente de maintenir le disque ensemble, la torsion de l’espace-temps provoquée par le trou noir en rotation veut 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 Kaaz. “La région 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 extérieur déverse le matériau sur le disque intérieur. Cette masse supplémentaire pousse également le disque interne vers le trou noir, où il est dévoré. Ensuite, la propre gravité du trou noir attire le gaz de la région externe vers la région interne désormais vide pour le remplir.

La connexion quasar

Kaaz a déclaré que ces cycles rapides de manger-remplir-manger expliquent potentiellement ce que l’on appelle les quasars à « changement d’apparence ». Les quasars sont des objets extrêmement lumineux qui émettent 1 000 fois plus d’énergie que les 200 à 400 milliards d’étoiles de la Voie lactée. Les quasars à changement d’apparence sont encore plus extrêmes. Ils semblent s’allumer et s’éteindre sur une durée de plusieurs mois – un laps de temps infime pour un quasar typique.

Bien que la théorie classique ait posé des hypothèses sur la rapidité avec laquelle les disques d’accrétion évoluent et changent de luminosité, les observations de quasars à aspect changeant indiquent qu’ils évoluent en réalité beaucoup plus rapidement.

“La région interne d’un disque d’accrétion, d’où provient la majeure partie de la luminosité, peut totalement disparaître – très rapidement en quelques mois”, a déclaré Kaaz. “En gros, nous le voyons disparaître complètement. Le système cesse d’être brillant. Ensuite, il s’éclaircit à nouveau et le processus se répète. La théorie conventionnelle n’a aucun moyen d’expliquer pourquoi il disparaît en premier lieu, et elle n’explique pas comment ça se remplit si vite.”

Non seulement les nouvelles simulations pourraient expliquer les quasars, mais elles pourraient également répondre aux questions actuelles sur la nature mystérieuse des trous noirs.

“Comment le gaz parvient-il à un trou noir pour le nourrir est la question centrale de la physique des disques d’accrétion”, a déclaré Kaaz. “Si vous savez comment cela se produit, cela vous dira combien de temps dure le disque, quelle est sa luminosité et à quoi devrait ressembler la lumière lorsque nous l’observons avec des télescopes.”

L’étude intitulée « Les chocs de buse, la déchirure des disques et les banderoles entraînent une accrétion rapide dans les simulations 3D GRMHD de disques minces déformés » a été financée par le ministère américain de l’Énergie et la National Science Foundation.