Les trous noirs, ces objets cosmiques dont même la lumière ne peut s'échapper, restent par définition invisibles à nos yeux. Comment alors comprendre leur comportement ? Une équipe d'astrophysiciens a fait un pas de géant en créant les simulations les plus détaillées à ce jour de la matière tombant dans un trou noir.
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The Astrophysical Journal, cette étude utilise des supercalculateurs de dernière génération pour modéliser l'accrétion avec une physique complète, incluant la relativité générale et le rayonnement. C'est ainsi que, pour la première fois, les comportements observés dans l'Univers sont reproduits avec fidélité, offrant une fenêtre sur des phénomènes autrefois hors de portée.
Premières simulations de l'accrétion des trous noirs incluant la relativité générale et le rayonnement, reproduisant des comportements observés dans l'Univers. Crédit: Stock Cette réussite a nécessité l'accès à des machines exaflopiques comme Frontier et Aurora. Ces ordinateurs, occupant des salles entières, peuvent effectuer des quintillions d'opérations par seconde. De plus, les chercheurs ont développé des algorithmes innovants qui résolvent directement les équations sans recourir à des approximations simplificatrices, ce qui marque une avancée technique significative.
Alors que les modèles antérieurs traitaient souvent le rayonnement comme un fluide, ce qui ne correspondait pas à sa réalité, la nouvelle approche le considère tel qu'il est. Cette précision est fondamentale près de l'horizon des trous noirs où l'espace-temps est déformé et les interactions sont fortes, permettant une représentation plus exacte des processus physiques.
Coupe transversale d'un trou noir en accrétion montrant la densité du gaz, avec un disque thermique stable malgré la turbulence. Crédit: Zhang et al. (2025)
Ces simulations se concentrent sur les trous noirs de masse stellaire, environ dix fois plus massifs que le Soleil. Elles révèlent la formation de disques turbulents, de vents puissants et de jets. De fait, les résultats s'alignent parfaitement avec les données spectrales des observations, offrant une validation solide pour interpréter ces objets lointains avec plus de confiance.
Par la suite, l'équipe prévoit d'étendre ce modèle aux trous noirs supermassifs, qui influencent l'évolution des galaxies. Adapter les calculs à différentes températures et densités ouvrira de nouvelles perspectives.
Ce succès est le fruit d'années de travail en mathématiques appliquées et en codage, impliquant des collaborateurs de plusieurs institutions. Un membre de l'équipe indique que l'étape suivante est de tirer pleinement parti des découvertes scientifiques émergentes, ce qui pourrait transformer notre compréhension des systèmes d'accrétion.
Comportement du gaz et des champs magnétiques autour d'un trou noir en rotation rapide, avec un jet guidé par des champs spirales. Crédit: Zhang et al. (2025) Les disques d'accrétion: ce qui rend les trous noirs "lumineux"
Les disques d'accrétion sont des structures de matière qui tournent autour des trous noirs, formées lorsque du gaz et de la poussière sont attirés par leur gravité intense. Ce processus génère d'énormes quantités d'énergie sous forme de rayonnement, ce qui rend les trous noirs visibles indirectement depuis la Terre. Sans ces disques, ces objets resteraient complètement noirs et indétectables.
La formation de ces disques dépend de la vitesse à laquelle la matière tombe et des interactions magnétiques. Près du trou noir, les forces gravitationnelles créent une friction qui chauffe la matière à des températures extrêmes, émettant des rayons X et d'autres formes de lumière. Cela permet aux astronomes d'étudier les propriétés des trous noirs, comme leur masse ou leur rotation, grâce à des télescopes spécialisés.
Comprendre les disques d'accrétion est central pour expliquer comment les trous noirs influencent leur environnement. Ils peuvent lancer des jets de particules à haute énergie et des vents qui affectent la formation d'étoiles proches. Les simulations récentes aident à prédire ces phénomènes, reliant les observations à la théorie physique pour une image plus complète de l'Univers.