La simulation cosmique révèle comment les trous noirs se développent

MADRID, 3 juillet (EUROPA PRESS) –

Des astrophysiciens ont simulé pour la première fois le voyage du gaz remontant au début de l’univers jusqu’à ce qu’il soit balayé par un disque de matière qui alimente un trou noir supermassif.

La nouvelle simulation informatique, dirigée par Caltech, « bouleverse » les idées que les astronomes avaient sur ces disques depuis les années 1970 et ouvre la voie à de nouvelles découvertes sur la façon dont les trous noirs et les galaxies se développent et évoluent.

“Notre nouvelle simulation marque l’aboutissement de plusieurs années de travail de deux grandes collaborations commencées ici à Caltech”, déclare c’est une déclaration Phil Hopkins, professeur d’astrophysique théorique.

La première collaboration, baptisée FIRE (Feedback in Realistic Environments), s’est concentrée sur les plus grandes échelles de l’univers, étudiant des questions telles que la formation des galaxies et ce qui se passe lorsqu’elles entrent en collision. L’autre, appelé STARFORGE, a été conçu pour examiner des échelles beaucoup plus petites, notamment la manière dont les étoiles se forment dans des nuages ​​de gaz individuels. “Mais il y avait un grand écart entre les deux”, explique Hopkins. “Maintenant, pour la première fois, nous avons comblé cet écart.” Pour ce faire, les chercheurs ont dû construire une simulation avec une résolution plus de 1 000 fois supérieure à la meilleure précédente dans le domaine.

À la grande surprise de l’équipe, comme indiqué dans Journal ouvert d’astrophysique, la simulation a révélé que les champs magnétiques jouent un rôle beaucoup plus important qu’on ne le pensait auparavant dans la formation et la configuration des énormes disques de matière qui orbitent et alimentent les trous noirs supermassifs. “Nos théories nous disaient que les disques devaient être plats comme des crêpes”, explique Hopkins.

“Mais nous savions que ce n’était pas exact parce que les observations astronomiques révèlent que les disques sont en fait spongieux, ressemblant plus à un gâteau des anges. “Notre simulation nous a aidé à comprendre que les champs magnétiques soutiennent le matériau du disque, le rendant plus spongieux.”

Dans la nouvelle simulation, les chercheurs ont effectué ce qu’ils appellent un « superzoom » sur un seul trou noir supermassif, un objet monstrueux trouvé au cœur de nombreuses galaxies, dont notre propre Voie lactée. Ces corps voraces et mystérieux Ils contiennent entre des milliers et des milliards de fois la masse du Soleil, et exerce donc un effet énorme sur tout ce qui s’en approche.

Les astronomes savent depuis des décennies que lorsque les gaz et les poussières sont attirés par l’énorme gravité de ces trous noirs, ne sont pas absorbés immédiatement. Au lieu de cela, le matériau forme d’abord un disque en rotation rapide appelé disque d’accrétion. Et lorsque la matière est sur le point de tomber, elle rayonne une énorme quantité d’énergie, brillant d’un éclat inégalé par presque tout ce qui existe dans l’univers. Mais on sait encore peu de choses sur ces trous noirs supermassifs actifs, appelés quasars, ni sur la façon dont les disques qui les alimentent se forment et se comportent.

Alors que les disques autour des trous noirs supermassifs ont déjà été photographiés (le télescope Event Horizon a photographié les disques en orbite autour des trous noirs au cœur de notre propre galaxie en 2022 et Messier 87 en 2019), Ces disques sont beaucoup plus proches et dociles que ceux qui gravitent autour des quasars.

Pour visualiser ce qui se passe autour de ces trous noirs plus actifs et plus éloignés, les astrophysiciens se tournent vers des simulations sur superordinateurs. Ils transmettent des informations sur la physique à l’œuvre dans ces environnements galactiques – depuis les équations de base qui régissent la gravité jusqu’à la manière de gérer la matière noire et les étoiles – dans des milliers de processeurs informatiques fonctionnant en parallèle. Ces informations comprennent de nombreux algorithmes, ou séries d’instructions, que les ordinateurs doivent suivre pour recréer des phénomènes complexes. Ainsi, par exemple, les ordinateurs savent qu’une fois que le gaz devient suffisamment dense, une étoile se forme.. Mais le processus n’est pas si simple.

“Si vous dites simplement que la gravité tire tout vers le bas et que finalement le gaz forme une étoile et que les étoiles s’accumulent, vous vous trompez complètement”, explique Hopkins. Après tout, les étoiles font beaucoup de choses qui affectent leur environnement.. Ils émettent un rayonnement qui peut chauffer ou repousser le gaz environnant. Les vents soufflent comme le vent solaire créé par notre propre Soleil, qui peut balayer la matière. Elles explosent sous forme de supernovae, projetant parfois des matériaux hors des galaxies ou modifiant la chimie de leur environnement. Par conséquent, les ordinateurs doivent également connaître tous les détails de ce “retour d’étoiles”, puisqu’il régule le nombre d’étoiles qu’une galaxie peut réellement former.

Mais à ces échelles plus grandes, l’ensemble de la physique qu’il est le plus important d’inclure et les approximations qui peuvent être faites diffèrent de ceux à des échelles plus petites. Par exemple, à l’échelle galactique, les détails complexes du comportement des atomes et des molécules sont extrêmement importants et doivent être intégrés dans toute simulation. Cependant, les scientifiques conviennent que lorsque les simulations se concentrent sur la zone immédiate autour d’un trou noir, la chimie moléculaire peut être largement ignorée car le gaz qui s’y trouve est trop chaud pour que les atomes et les molécules puissent exister. Au lieu de cela, ce qui existe là-bas est du plasma ionisé chaud.

Créer une simulation capable de couvrir toutes les échelles pertinentes jusqu’au niveau d’un seul disque d’accrétion autour d’un trou noir supermassif représentait un énorme défi informatique, qui nécessitait également un code capable de gérer toute la physique. “Il y avait certains codes qui contenaient la physique nécessaire pour résoudre la partie à petite échelle du problème, et d’autres qui contenaient la physique nécessaire pour résoudre la partie cosmologique plus large du problème. mais rien qui ait les deux“, dit Hopkins.

L’équipe dirigée par Caltech a utilisé un code appelé GIZMO pour des projets de simulation à grande et à petite échelle. Plus important encore, ils ont construit le projet FIRE de manière à ce que toute la physique qu’ils y ont ajoutée puisse fonctionner avec le projet STARFORGE, et vice versa. “Nous l’avons construit de manière très modulaire, de sorte que vous puissiez activer et désactiver n’importe quelle partie de la physique que vous souhaitiez pour un problème donné, mais elles étaient toutes compatibles les unes avec les autres”, explique Hopkins.

Cela a permis aux scientifiques, dans leurs derniers travaux, de simuler un trou noir d’environ 10 millions de fois la masse de notre Soleil, dès le début de l’univers. La simulation se concentre ensuite sur ce trou noir au moment où un flux géant de matière se détache d’un nuage de gaz formant des étoiles et commence à tourner autour du trou noir supermassif. La simulation peut continuer à zoomer, résoudre une zone plus fine à chaque étape en suivant le gaz sur son chemin vers le trou.