Une étude récente a confirmé que le modèle BZ-jet, qui attribue la formation des jets de trous noirs à l'extraction de l'énergie de spin, décrit avec précision les caractéristiques observées des jets du trou noir supermassif de Messier 87, offrant ainsi des preuves substantielles de sa validité par rapport au disque concurrent. -modèle à jet. Crédit : Issues.fr.com
Les trous noirs sont des entités cosmiques fascinantes caractérisées par des attractions gravitationnelles si intenses que même la lumière ne peut s'échapper une fois qu'elle traverse leurs horizons événementiels. Pourtant, curieusement, il y a plus de cent ans, on a découvert que juste à l’extérieur de l’horizon des événements, les trous noirs pouvaient produire de puissants flux de matière et d’énergie, appelés jets, qui peuvent se déplacer presque aussi vite que la lumière. Des observations télescopiques ont montré que ces jets s'étendaient directement vers l'extérieur en flux focalisés, ressemblant à des faisceaux laser, certains jets atteignant des longueurs dépassant des galaxies entières.
Depuis la découverte des avions à réaction, de nombreux chercheurs, dont le prix Nobel Sir Roger Penrose, ont étudié la formation de ces phénomènes énigmatiques. Actuellement, deux modèles principaux tentent d'expliquer la formation des jets : le « modèle BZ-jet », du nom des chercheurs Blandford et Znajek et aujourd'hui le modèle le plus influent, postule qu'un jet se forme en extrayant l'énergie de spin d'un trou noir via des lignes de champ magnétique connectées à l'horizon des événements du trou noir. En revanche, le deuxième modèle postule qu'un jet se forme en extrayant l'énergie de rotation du disque d'accrétion d'un trou noir. Ce dernier est un ensemble de gaz ionisé tournant autour du trou noir en raison de sa forte force gravitationnelle. Le deuxième modèle peut être décrit comme le « modèle à jet de disque ».
Évaluation des modèles de formation de jet
Bien que le modèle BZ-jet ait déjà été utilisé par d'autres chercheurs pour simuler des écoulements collimatés relativistes généraux (en fait, des jets), il n'était pas clair si le modèle BZ-jet pouvait expliquer la morphologie observée d'un jet réel, y compris sa structure allongée, sa largeur, et l'éclaircissement des membres, c'est-à-dire sa luminosité accrue près du bord du jet.
Pour étudier la validité de ces deux modèles, une équipe internationale dirigée par le Dr Yuan Feng de l'Observatoire astronomique de Shanghai de l'Académie chinoise des sciences a calculé les jets respectivement prédits par ces deux modèles pour le trou noir supermassif au centre de Messier 87 ( M87), une galaxie géante de la constellation de la Vierge. L’équipe a ensuite comparé ses calculs avec les observations réelles du jet M87, qui avaient été enregistrées dans la toute première image d’un trou noir capturée par le Event Horizon Telescope (EHT). Les recherches de l'équipe ont montré que le modèle à jet BZ prédisait avec précision la morphologie du jet M87 observé, tandis que le modèle à jet disque avait du mal à expliquer les observations. L'étude a été publiée dans Avancées scientifiques.
Méthodologie et résultats
En termes de méthodes, l’équipe a d’abord utilisé des simulations magnétohydrodynamiques de relativité générale tridimensionnelles (GRMHD) pour reproduire la structure du jet M87. Pour calculer le rayonnement des jets simulés et comparer le rayonnement avec les observations, le spectre énergétique et la distribution spatiale des électrons rayonnants étaient cruciaux. L'équipe a émis l'hypothèse que l'accélération des électrons se produisait par « reconnexion magnétique », c'est-à-dire un processus par lequel l'énergie magnétique est convertie en énergie cinétique, en énergie thermique et en accélération des particules. Sur la base de cette hypothèse, l’équipe a combiné les résultats d’études sur l’accélération des particules en utilisant la théorie cinétique pour résoudre une équation de distribution d’énergie électronique en régime permanent. Il a ensuite obtenu les spectres d’énergie et les densités numériques des électrons dans différentes régions des jets simulés.
En combinant ces informations avec des simulations d'accrétion, notamment l'intensité du champ magnétique, les gaz plasma température et vitesse : l’équipe a obtenu des résultats comparables à des observations réelles. Les résultats ont montré que la morphologie du jet prédite par le modèle BZ-jet correspondait très bien à la morphologie observée du jet M87, y compris la largeur, la longueur, les caractéristiques d'éclairement des membres et la vitesse du jet. En revanche, les prédictions du modèle à jet de disque n’étaient pas cohérentes avec les observations.
De plus, l’équipe a analysé le processus de reconnexion magnétique et a découvert qu’il était dû aux éruptions magnétiques générées par les champs magnétiques dans le disque d’accrétion du trou noir M87. Ces éruptions ont provoqué de fortes perturbations du champ magnétique, qui ont pu se propager sur de longues distances, entraînant une reconnexion magnétique dans les jets.
Ce travail comble le fossé entre les modèles dynamiques de formation de jets et diverses propriétés observées des jets, fournissant la première preuve que le modèle BZ-jet aborde les problèmes énergétiques des jets et explique également d'autres observations.
