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C’est la modélisation la plus détaillée du trou noir tapi au cœur de la Voie lactée

Juin 24, 2020 | economie | 0 commentaires



C'est la modélisation la plus détaillée du trou noir tapi au cœur de la Voie lactée

Grâce à une modélisation informatique pionnière, une équipe de physiciens met en lumière l’étonnant comportement du trou noir au centre de notre galaxie, et les propriétés de son champ magnétique.

Plus nous en apprenons sur Sagittarius A*, plus celui-ci a de quoi fasciner. Difficile à capturer directement, le trou noir au centre de notre galaxie alimente l’imagination des scientifiques et des rêveurs depuis des décennies. Mais récemment, une équipe de jeunes physiciens a proposé de soulever le rideau un tant soit peu, grâce à une modélisation de Sgr A* et de ses environs. Afin d’être fiable et précis, le modèle créé par les chercheurs se devait de couvrir la région du trou noir jusqu’aux étoiles les plus proches de celui-ci, à 20.000.000.000.000.000 kilomètres de distance. La simulation informatique résultante offre un aperçu incomparable de Sagittarius A* et de son disque d’accrétion.

Modélisation du disque d’accrétion de Sagittarius A* © Chris White, Sean Ressler

Champ magnétique et échelles de grandeur

À travers ce travail de titan, l’équipe tente de savoir si le champ magnétique du trou noir, généré par la matière qui s’y précipite, peut devenir suffisamment intense pour momentanément étouffer ledit flux de matière. Cette tâche est rendue d’autant plus complexe par les différences d’échelles qui caractérisent ce ballet cosmique : spatiales, mais aussi temporelles, car tandis que certains phénomènes (observables) se jouent sur plusieurs milliers d’années, d’autres (théoriques, faute de mieux) ne prennent que quelques secondes. Grâce à leur simulation, les chercheurs sont parvenus à réconcilier ces deux niveaux de vision, dont le clivage pouvait frustrer plus d’un physicien.

« Faire cela dans une unique simulation est incroyablement compliqué, au point que cela devient impossible », commente le jeune Sean Ressler. Son collègue Chris White renchérit : « il s’agit des tout premiers modèles d’accrétion aux plus petites échelles pour [Sagittarius] A*, prenant en compte la réalité des flux de matière provenant d’étoiles en orbite. » Leur modélisation indique que le champ magnétique pourrait bel et bien devenir suffisamment intense pour stopper le flux de matière dans sa course, un résultat d’autant plus étonnant que le centre de la galaxie est relativement calme, dépourvu des jets puissants qui caractérisent habituellement les trous noirs présentant un tel comportement. La prochaine étape consistera à modéliser un trou noir en rotation afin de voir si les visualisations résultantes sont en adéquation avec les observations des astronomes.

Sgr A* : l’EHT sonde les champs magnétiques de notre trou noir

Article de Laurent Sacco, publié le 7 décembre 2015

L’astrophysique des trous noirs se prépare à faire un bond en avant avec le projet Event Horizon Telescope (EHT), une combinaison de radiotélescopes en cours de réalisation. Des résultats préliminaires permettent déjà de sonder les champs magnétiques proches de l’horizon du trou noir supermassif de la Voie lactée, Sagittarius A*.

Dans le Grand Tout, un road movie français plongeant le spectateur dans l’univers d’Einstein, les héros s’approchent du fameux trou noir supermassif situé au cœur de la Voie lactée et appelé Sagittarius A* (Sgr A*). Pesant environ 4 millions de masses solaires, cet astre compact est l’objet de l’attention des astrophysiciens depuis quelques décennies car il est potentiellement un formidable laboratoire pour tester les théories relativistes de la gravitation comme la relativité générale d’Einstein, qui fête cette année ses 100 ans. C’est aussi un formidable banc d’essai pour mettre à l’épreuve les modèles des quasars, dont le formidable rayonnement proviendrait de l’accrétion de la matière par des trous noirs supermassifs en rotation, décrits par la fameuse solution de Kerr.

Les chercheurs ont donc l’ambition de pouvoir observer et mesurer les phénomènes se déroulant au plus près de l’horizon des évènements de Sagittarius A* ainsi qu’au niveau de son disque d’accrétion. Pour cela, ils sont en train de développer le projet Event Horizon Telescope (EHT). Celui-ci consiste à combiner des radiotélescopes répartis sur toute la Planète et à traiter les signaux collectés pour obtenir l’équivalent d’un énorme radiotélescope. La résolution atteinte sera alors suffisante pour s’approcher de plus en plus près de l’horizon des évènements, cette surface en dessous de laquelle rien ne peut plus s’échapper d’un trou noir sans dépasser la vitesse de la lumière, ou alors sous forme de rayonnement Hawking. Autant dire qu’il s’agit d’un défi car Sagittarius A* est situé à environ 25.000 années-lumière de la Terre et sa taille n’est que de 12 millions de kilomètres. Dans le visible, une prouesse équivalente reviendrait à observer une balle de golf sur la Lune.

Une publication sur arXiv décrit une première ébauche de l’EHT ayant déjà fourni des mesures intéressantes des champs magnétiques proches de l’horizon des évènements de Sgr A*. Il y a quelques années, un pulsar avait permis de sonder partiellement les champs magnétiques à une plus grande distance de ce trou noir mais les observations déjà obtenues en combinant le pouvoir de radiotélescopes situés à Hawaï, en Californie et en Arizona sont bien plus excitantes. Elles donnent un peu plus de poids à un célèbre modèle proposé dès 1977 par les astrophysiciens Roger Blandford et Roman Znajek afin d’expliquer l’origine du rayonnement des quasars, plus précisément de leurs jets de matière.

Des champs magnétiques mesurés par effet Faraday

La matière tombant vers un trou noir s’échauffe tellement que les électrons finissent par être arrachés des atomes qui deviennent ionisés. Il se forme alors un plasma dans lequel des courants apparaissent, qui génèrent donc des champs magnétiques, lesquels agissent eux-mêmes sur ces courants. Lorsqu’en plus le trou noir est en rotation, les lois de la relativité générale se mélangent avec celles de l’électrodynamique. Des phénomènes magnétohydrodynamiques complexes émergent et tout se passe comme si le trou noir était une sphère conductrice chargée, en rotation et couplée avec un disque de fluide parcouru de turbulences. Au final, les lignes de champs magnétiques générées se tordent et propulsent des particules chargées dans les jets parallèles à l’axe de rotation du trou noir en empruntant de l’énergie à la rotation de l’astre.

L’embryon de l’EHT confirme pour la première fois la présence de ces lignes de champs magnétiques près de l’horizon et du disque d’accrétion de Sgr A*. En effet, les électrons du plasma, en tournant en spirale autour des lignes de champs émettent un rayonnement synchrotron sous forme de lumière polarisée. Or, l’état de polarisation de cette lumière est modifié par un champ magnétique : c’est l’effet Faraday. En mesurant cette polarisation, il est donc, en principe, possible détecter et mesurer un champ magnétique.

Dans une région s’étendant sur environ six fois le rayon de l’horizon des évènements, les astrophysiciens ont finalement découvert deux types de champs magnétiques dont certains fluctuent en seulement 15 minutes. L’un de ces types correspond à des champs chaotiques et entrelacés comme des spaghettis. Il s’agit probablement des champs régnant dans le disque de matière où les écoulements de fluides sont turbulents. L’autre type de champs magnétiques correspond à des champs plus ordonnés qui sont peut-être à l’origine des jets de particules.

Interrogé au sujet de cette découverte, Roger Blandford ne cache pas sa satisfaction : « Voir un champ magnétique intense est très encourageant. Cela renforce notre hypothèse que les jets des trous noirs supermassifs sont alimentés en énergie par des processus électromagnétiques ».

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