Simulation numérique d’un trou noir supermassif et de son disque d’accrétion qui se sépare en deux parties non alignées.

1 Les trous noirs supermassifs trônent au centre de toutes les grandes galaxies. Autour d’eux spirale un disque de gaz et de poussière, le disque d’accrétion. Cette matière finit par tomber dans les trous noirs, qui voient leur masse croître. Les modèles de disques d’accrétion ont pour la plupart été établis dans les années 1970, quand les calculs se faisaient encore principalement à la main. Par simplicité, les disques de matière étaient donc presque toujours considérés comme appartenant au plan orthogonal à l’axe de rotation des trous noirs. « Puis, en 1978, des calculs avec un léger angle ont été réalisés, retrace Nicholas Kaaz, astrophysicien à l’université Northwestern, aux États-Unis. Et dans ce cas, le disque s’alignait graduellement dans le plan du trou noir. Alors on s’était dit que si tout s’alignait, autant continuer avec des modèles sans angles. »

2 Mais aucune raison physique n’interdit un grand angle. Dans ce cas, voit-on un retour à l’alignement ou la dynamique est-elle différente ? Depuis quelques années, des spécialistes ont commencé à développer des modèles prenant en compte une inclinaison importante entre le disque d’accrétion et le trou noir. Mais, pour mener à bien les calculs, ces chercheurs ont fait des hypothèses qui simplifient un peu la physique et ils travaillaient avec des résolutions faibles. Certains effets échappaient peut-être à ces approches. Nicholas Kaaz et ses collègues ont alors décidé d’utiliser le supercalculateur Summit, du laboratoire américain d’Oak Ridge, pour refaire une simulation plus réaliste, incluant notamment les équations de la relativité générale, l’influence du champ magnétique sur le plasma entourant le trou noir, une haute résolution et, bien sûr, un angle non négligeable entre le trou noir et le disque d’accrétion.

3 Les résultats montrent d’abord qu’il existe de fortes variations de densité au sein du disque. Les surdensités, couplées au mouvement de rotation du disque, font osciller ce dernier et le rendent instable. Ensuite, puisque la partie du disque d’accrétion la plus proche du trou noir tourne plus vite que sa partie externe, il arrive un moment où le disque se déchire et se sépare en deux sous-disques. Sous l’effet Lense-Thirring (prévu par la relativité générale et lié à un entraînement du tissu de l’espace-temps dans l’environnement d’un objet massif en rotation), la partie la plus interne s’incline alors par rapport au trou noir avec un angle différent de celui du sous-disque externe, le tout formant une sorte de gyroscope.

4 Puisque le disque se déforme, il existe des zones où le gaz entre en collision avec lui-même et perd de l’énergie. Le gaz du sous-disque interne tombe alors à l’intérieur du trou noir. Puis la partie externe se rapproche du trou noir, et tout le processus se répète. Nicholas Kaaz et ses collègues ont calculé que l’accrétion est beaucoup plus rapide pour ce type de système que dans le cas où le disque est aligné. Si ce processus est général et fréquent, il répond peut-être à l’une des grandes questions de l’astrophysique : comment les trous noirs supermassifs ont-ils acquis des masses aussi importantes en si peu de temps dans l’Univers primordial ?

Autre simulation numérique d’un trou noir supermassif et de son disque d’accrétion

Autre simulation numérique d’un trou noir supermassif et de son disque d’accrétion