Cent ans avant l'événement, la collaboration sur le télescope Horizon a publié la première image d'un trou noir en 2019 – située au cœur de la Galaxy M87 – l'astronomer Heber Curtis avait déjà découvert un étrange jet saillant du centre de la galaxie. Aujourd'hui, nous savons que c'est le jet du trou noir M87 *. Ces jets sont également émis par d'autres trous noirs. Les astrophysiciens théoriques de l'Université Goethe ont maintenant développé un code numérique à décrire avec une précision mathématique élevée comment les trous noirs transforment leur énergie de rotation en de tels jets ultra-rapides.
Les résultats sont publiés dans Les lettres de journal astrrophysique.
Pendant près de deux siècles, il n'était pas clair que le point lumineux de la Vierge Constellation, que Charles Messier avait décrit en 1781 comme « 87: Nébuleuse sans étoiles », était en fait une très grande galaxie. En conséquence, il n'y avait initialement aucune explication à l'étrange jet découvert en 1918 émergeant du centre de cette « nébuleuse ».
Au cœur du Giant Galaxy M87 se trouve le trou noir M87 *, qui contient rapidement six milliards de masses solaires et demi et demi-milliards sur son axe. En utilisant l'énergie de cette rotation, M87 * alimente un jet de particules expulsé à presque la vitesse de la lumière, s'étendant sur 5 000 années-lumière. Ces jets sont également générés par d'autres trous noirs rotatifs. Ils contribuent à disperser l'énergie et la matière dans tout l'univers et peuvent influencer l'évolution des galaxies entières.
Une équipe d'astrophysiciens de l'université Goethe Francfurt, dirigée par le professeur Luciano Rezzolla, a développé un code numérique, nommé le code de particules en cellule de Francfort pour les espacements de trou noir (FPIC), qui décrit avec une haute précision les processus qui convertissent l'énergie rotationnelle en un jet de particules.
Le résultat: en plus du mécanisme de Blandford – Znajek – qui a jusqu'à présent été considéré comme responsable de l'extraction de l'énergie rotationnelle du trou noir via de forts champs magnétiques – les scientifiques ont révélé qu'un autre processus est impliqué dans l'extraction d'énergie, à savoir la reconnexion magnétique. Dans ce processus, les lignes de champ magnétiques se cassent et se remettent, conduisant à l'énergie magnétique convertie en chaleur, rayonnement et éruptions du plasma.
Le code FPIC a simulé l'évolution d'un grand nombre de particules chargées et de champs électromagnétiques extrêmes sous l'influence de la forte gravité du trou noir. Le Dr Claudio Meringolo, le principal développeur du code, explique: « La simulation de tels processus est crucial pour comprendre la dynamique complexe des plasmas relativistes dans les espacements courbes près d'objets compacts, qui sont régis par l'interaction de champs gravitationnels et magnétiques extrêmes. »
Les enquêtes ont nécessité des simulations de superordinateurs très exigeantes qui ont consommé des millions d'heures de processeur sur le supercalculateur « Goethe » de Francfort et « Hawk » de Stuttgart. Cette grande puissance de calcul était essentielle pour résoudre les équations de Maxwell et les équations de mouvement pour les électrons et les positrons selon la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein.
Dans le plan équatorial du trou noir, les calculs des chercheurs ont révélé une activité de reconnexion intense, conduisant à la formation d'une chaîne de plasmoïdes – une condensation du plasma dans des « bulles » énergétiques – en mouvement à presque la vitesse de la lumière. Selon les scientifiques, ce processus s'accompagne de la génération de particules avec une énergie négative qui est utilisée pour alimenter des phénomènes astrophysiques extrêmes comme les jets et les éruptions de plasma.
« Nos résultats ouvrent la possibilité fascinante que le mécanisme Blandford – Znajek ne soit pas le seul processus astrophysique capable d'extraire l'énergie rotationnelle d'un trou noir », explique le Dr Filippo Camilloni, qui a également travaillé sur le projet FPIC « , mais cette reconnexion magnétique contribue également. »
« Avec notre travail, nous pouvons démontrer comment l'énergie est efficacement extraite des trous noirs rotatifs et canalisés en jets », explique Rezzolla. « Cela nous permet d'expliquer les luminosités extrêmes des noyaux galactiques actifs ainsi que l'accélération des particules à presque la vitesse de la lumière. »
Il ajoute qu'il est incroyablement excitant et fascinant de mieux comprendre ce qui se passe près d'un trou noir en utilisant des codes numériques sophistiqués. « En même temps, il est encore plus gratifiant de pouvoir expliquer les résultats de ces simulations complexes avec un traitement mathématique rigoureux – comme nous l'avons fait dans notre travail. »
