Les trous noirs ont été des sujets d'étude fascinants, non seulement parce que ce sont des aspirateurs cosmiques, mais aussi comme des moteurs d'immense puissance capable d'extraire et de redistribution de l'énergie à une échelle stupéfiante. Ces géants sombres sont souvent entourés de disques tourbillonnants de gaz et de poussière, appelés disques d'accrétion.
Lorsque ces disques sont fortement magnétisés, ils peuvent agir comme des centrales électriques galactiques, en extraction de l'énergie du spin du trou noir dans un processus connu sous le nom de l'effet Blandford-Znajek (BZ).
Alors que les scientifiques ont théorisé que l'effet BZ est le principal mécanisme du processus d'extraction d'énergie, de nombreuses inconnues demeurent, comme ce qui détermine la quantité d'énergie canalisée en jets puissants – des flux de particules et d'énergie éjectés le long des pôles du trou noir – ou dissipés comme chaleur.
Pour répondre à ces questions, le chercheur postdoctoral de Jila, Prasun Dhang, et les boursiers de Jila et les professeurs de sciences astrophysiques et planétaires de l'Université du Colorado se sont tournés vers des simulations informatiques avancées. En modélisant des trous noirs entourés de disques d'accrétion minces et hautement magnétisés, ils ont cherché à découvrir la physique sous-jacente qui entraîne ces systèmes énigmatiques.
Leurs résultats, publiés dans Le journal astrophysiqueoffrez des informations cruciales sur la physique complexe autour des trous noirs et pourrions redéfinir la façon dont nous comprenons leur rôle dans la formation des galaxies.
« Il est connu depuis longtemps que l'infaillance du gaz peut extraire l'énergie de rotation d'un trou noir », explique Dexter.
« Habituellement, nous supposons que cela est important pour alimenter les jets. En chemin, l'énergie de spin extraite pourrait être une source d'énergie importante pour éclairer les régions près de l'horizon de l'événement du trou noir. «
Comparaison du trou noir au trou noir
Pendant des décennies, les scientifiques ont étudié les trous noirs et leurs interactions avec le gaz environnant et les champs magnétiques pour comprendre comment ils alimentent certains des phénomènes les plus énergiques de l'univers.
Les premières recherches se sont concentrées principalement sur les sources de trous noirs à faible luminosité avec un flux d'accrétion quasi-sphérique, car ces systèmes sont relativement plus faciles à simuler et à s'aligner avec de nombreux jets observés.
Cependant, les trous noirs à haute luminosité avec des disques magnétisés plus minces géométriquement plus minces présentent un défi unique. Ces systèmes sont théoriquement instables en raison de déséquilibres dans le chauffage et le refroidissement.
Cependant, des études antérieures, y compris celles de Mitch Begelman, ont suggéré que des champs magnétiques puissants pourraient stabiliser ces disques minces, mais les détails de leur rôle dans l'extraction d'énergie et la formation de jet ne sont pas clairs dans de telles conditions.
« Nous voulions comprendre comment fonctionne l'extraction d'énergie dans ces environnements hautement magnétisés », explique Dhang.
Simulant des flux magnétisés autour des trous noirs
L'équipe a utilisé des simulations informatiques avancées pour explorer ce phénomène, en particulier, un type spécial de modèle appelé modèle magnétohydynamique (GRMHD) (GRMHD) 3D.
Le modèle GRMHD fonctionne comme un cadre de calcul qui simule le comportement du plasma magnétisé dans l'espace-temps incurvé autour des trous noirs, combinant la physique des champs magnétiques, la dynamique des fluides et la théorie de la relativité générale d'Einstein pour capturer les interactions complexes dans ces environnements extrêmes. En utilisant le cadre, les chercheurs ont observé comment les champs magnétiques interagissaient avec les trous noirs tournant à différentes vitesses.
« L'objectif était de voir comment le filetage de flux magnétique (imprégnant) le trou noir a un impact sur l'extraction d'énergie et si cela conduit à la formation de jets », explique Dhang.
Les simulations ont modélisé des disques d'accrétion magnétisés minces et ont examiné la quantité d'énergie du trou noir transféré à son environnement. En étudiant l'efficacité de cette extraction d'énergie, l'équipe a identifié divers tours de trou noir et configurations magnétiques avec des jets.
Manifestation de la puissance BZ
D'après leurs simulations, l'équipe a constaté que, selon le rotation du trou noir, entre 10% et 70% de l'énergie extraite par le processus BZ a été canalisée en jets.
« Plus le spin est élevé, plus le trou noir peut libérer de l'énergie », note Dhang.
Cependant, toutes les énergies ne sont pas entrées en jets; Certains ont été absorbés dans le disque ou dissipés sous forme de chaleur.
Bien que les simulations n'aient pas pu déterminer où l'excès d'énergie allait, Dhang prévoit d'étudier cela davantage pour mieux comprendre comment les jets se forment, car les jets se trouvent souvent dans les systèmes de noyaux galactiques actifs tels que les quasars.
À partir de leurs modèles, les chercheurs ont constaté que les champs magnétiques forts augmentaient l'efficacité radiative du disque, ce qui la rendait plus lumineuse. Cette luminosité supplémentaire peut expliquer pourquoi certains trous noirs semblent beaucoup plus lumineux que les modèles théoriques ne le prédisent.
« L'énergie inutilisée près du trou noir pourrait chauffer le disque et contribuer à une couronne », note Dhang.
La couronne, une région de gaz chaud entourant le trou noir qui émet des rayons X intenses, est crucial pour façonner la lumière que nous observons à partir de ces systèmes, mais son processus de formation exact reste clair.
Les chercheurs espèrent utiliser d'autres simulations pour comprendre la dynamique de la fabrication d'une couronne de trou noir.
