Répondre à des questions de longue date sur les jets des trous noirs

La seule chose que tout le monde sait à propos des trous noirs, c’est qu’absolument tout ce qui se trouve à proximité y est aspiré. Il s’avère que presque tout.

“Même si les trous noirs sont définis comme des objets desquels rien ne peut s’échapper, l’une des prédictions étonnantes de la théorie de la relativité d’Einstein est que les trous noirs peuvent en réalité perdre de l’énergie”, déclare l’astrophysicien Eliot Quataert, professeur d’astronomie Charles A. Young à Princeton. Fondation Classe 1897. “Ils peuvent tourner, et tout comme une toupie ralentit avec le temps et perd cette énergie lors de sa rotation, un trou noir en rotation peut également perdre de l’énergie dans son environnement.”

Les scientifiques ont largement accepté ce modèle depuis les années 1970. Ils savaient que les champs magnétiques extrayaient probablement l’énergie des trous noirs en rotation – mais ils ne savaient tout simplement pas comment.

Une équipe d’astrophysiciens de Princeton a maintenant déterminé de manière concluante que l’énergie proche de l’horizon des événements du trou noir M87* se dirige vers l’extérieur et non vers l’intérieur. (M87 est le nom de la galaxie, Messier 87, donc le trou noir en son centre est désigné M87*.) Les chercheurs ont également créé un moyen de tester la prédiction selon laquelle les trous noirs perdent de l’énergie de rotation, a déclaré Quataert, et d’établir cette prédiction. cette énergie qui produit « les flux incroyablement puissants que nous voyons et que nous appelons jets ».

Ces jets d’énergie “sont essentiellement comme des sabres laser Jedi longs d’un million d’années-lumière”, a déclaré Alexandru Lupsasca, ancien postdoctorant de Princeton, et ils peuvent s’étendre 10 fois plus longtemps que la Voie lactée.

Les résultats de leurs travaux paraissent dans le numéro actuel de Le journal d’astrophysique. Andrew Chael, chercheur associé en astrophysique, est le premier auteur de l’article. Lui et le co-auteur George Wong sont tous deux membres de l’équipe Event Horizon Telescope et ont joué un rôle essentiel dans le développement des modèles utilisés pour interpréter les trous noirs. Chael, Wong, Lupsasca et Quataert sont tous des théoriciens affiliés à la Princeton Gravity Initiative.

L’équipe a attribué à Chael le mérite de l’idée essentielle au cœur du nouvel article : la direction dans laquelle les lignes du champ magnétique tournent en spirale révèle la direction du flux d’énergie. À partir de là, “le reste s’est en quelque sorte mis en place”, a déclaré Quataert.

“Si vous preniez la Terre, la transformiez en TNT et la faisiez exploser 1 000 fois par seconde pendant des millions et des millions d’années, c’est la quantité d’énergie que nous extrayons de M87”, a déclaré Wong, chercheur associé à la Princeton Gravity Initiative et membre de l’Institute for Advanced Study.

Les scientifiques savent depuis des décennies que lorsqu’un trou noir commence à tourner, il entraîne avec lui le tissu de l’espace-temps. Les lignes de champ magnétique qui traversent le trou noir sont entraînées, ce qui ralentit la rotation, conduisant à la libération d’énergie.

“Notre nouvelle prédiction précise est que chaque fois que vous regardez un trou noir astrophysique, si des lignes de champ magnétique lui sont attachées, il y aura un transfert d’énergie – des quantités vraiment insensées de transfert d’énergie”, a déclaré Lupsasca, ancien chercheur associé à Princeton, qui est maintenant professeur adjoint de physique et de mathématiques à l’Université Vanderbilt, et qui a remporté le prix New Horizons in Physics 2024 de la Breakthrough Prize Foundation pour ses recherches sur les trous noirs.

Alors que le flux d’énergie proche de l’horizon des événements de M87* s’écoule vers l’extérieur, l’équipe a déclaré que le flux d’énergie pourrait théoriquement aller vers l’intérieur dans un trou noir différent. Ils sont confiants dans leur lien entre le flux d’énergie et la direction des lignes de champ magnétique, et leur prédiction selon laquelle le flux d’énergie provient du trou noir sera testée avec le lancement du télescope Event Horizon, encore théorique, de « nouvelle génération ».

Depuis un an et demi, les chercheurs sur les trous noirs du monde entier proposent des spécifications pour le futur instrument, a déclaré Wong. “Des journaux comme le nôtre peuvent jouer un rôle crucial pour déterminer ce dont nous avons besoin. Je pense que c’est une période incroyablement excitante.”

Les quatre chercheurs ont souligné dans leur article qu’ils n’avaient pas démontré de manière concluante que la rotation du trou noir « alimente réellement le jet extragalactique », bien que les preuves penchent certainement dans cette direction. Même si les niveaux d’énergie montrés par leur modèle sont proportionnels aux besoins des jets, ils ne peuvent pas exclure la possibilité que le jet puisse être propulsé par un plasma en rotation à l’extérieur du trou noir. “Je pense qu’il est extrêmement probable que le trou noir alimente le jet, mais nous ne pouvons pas le prouver”, a déclaré Lupsasca. “Encore.”