Une simulation cosmique révèle comment les trous noirs grandissent et évoluent

Une équipe d’astrophysiciens dirigée par Caltech a réussi pour la première fois à simuler le parcours d’un gaz primordial datant de l’univers primitif jusqu’au moment où il est englouti dans un disque de matière alimentant un trou noir supermassif. Cette nouvelle simulation informatique bouleverse les idées que les astronomes nourrissent sur ces disques depuis les années 1970 et ouvre la voie à de nouvelles découvertes sur la croissance et l’évolution des trous noirs et des galaxies.

« Notre nouvelle simulation marque l’aboutissement de plusieurs années de travail issues de deux grandes collaborations démarrées ici à Caltech », déclare Phil Hopkins, professeur Ira S. Bowen d’astrophysique théorique.

La première collaboration, baptisée FIRE (Feedback in Realistic Environments), s’est concentrée sur les grandes échelles de l’univers, étudiant des questions telles que la formation des galaxies et ce qui se passe lorsque des galaxies entrent en collision. L’autre, baptisée STARFORGE, a été conçue pour examiner des échelles beaucoup plus petites, notamment la formation des étoiles dans des nuages ​​de gaz individuels.

« Mais il y avait un grand fossé entre les deux », explique Hopkins. « Aujourd’hui, pour la première fois, nous avons réussi à combler ce fossé. »

Pour y parvenir, 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 surprise de l’équipe, comme indiqué dans Journal ouvert d’astrophysiquela simulation a révélé que les champs magnétiques jouent un rôle beaucoup plus important qu’on ne le croyait auparavant dans la formation et le façonnage des énormes disques de matière qui tourbillonnent 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 vrai, car les observations astronomiques révèlent que les disques sont en fait moelleux, plutôt comme un gâteau des anges. Notre simulation nous a aidé à comprendre que les champs magnétiques soutiennent la matière du disque, ce qui le rend plus moelleux. »

Visualisation de l’activité autour des trous noirs supermassifs à l’aide de « super zooms »

Dans cette nouvelle simulation, les chercheurs ont réalisé ce qu’ils appellent un « super zoom » sur un trou noir supermassif, un objet monstrueux qui se trouve au cœur de nombreuses galaxies, y compris notre propre Voie lactée. Ces corps voraces et mystérieux contiennent des milliers à des milliards de fois la masse du Soleil et exercent donc un effet énorme sur tout ce qui s’approche.

Les astronomes savent depuis des décennies que le gaz et la poussière attirés par la formidable gravité de ces trous noirs ne sont pas immédiatement aspirés. Au lieu de cela, la matière forme d’abord un disque tourbillonnant rapidement appelé disque d’accrétion. Et alors que la matière est sur le point de tomber, elle rayonne une énorme quantité d’énergie, brillant d’une brillance inégalée par tout ce qui existe dans l’univers. Mais on ne sait toujours pas grand-chose de ces trous noirs supermassifs actifs, appelés quasars, et de la façon dont les disques qui les alimentent se forment et se comportent.

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

Pour visualiser ce qui se passe autour de ces trous noirs plus actifs et plus lointains, les astrophysiciens ont recours à des simulations sur superordinateur. Ils alimentent des milliers de processeurs informatiques fonctionnant en parallèle avec 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 traiter la matière noire et les étoiles.

Ces données 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 aussi simple.

« Si vous dites simplement que la gravité attire tout vers le bas et qu’ensuite le gaz forme une étoile et que les étoiles s’accumulent, vous vous trompez complètement », explique Hopkins.

Après tout, les étoiles ont de nombreuses fonctions qui affectent leur environnement. Elles émettent des radiations qui peuvent réchauffer ou pousser le gaz environnant. Elles soufflent des vents comme le vent solaire créé par notre propre soleil, qui peut emporter de la matière. Elles explosent en supernovae, projetant parfois de la matière hors des galaxies ou modifiant la chimie de leur environnement. Les ordinateurs doivent donc également connaître tous les tenants et aboutissants de cette « rétroaction stellaire », car elle régule le nombre d’étoiles qu’une galaxie peut réellement former.

Construire une simulation qui s’étend sur plusieurs échelles

Mais à ces échelles plus vastes, les éléments physiques les plus importants à inclure et les approximations qui peuvent être faites diffèrent de ceux 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 à toute simulation. Cependant, les scientifiques conviennent que lorsque les simulations se concentrent sur la zone plus 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 des atomes et des molécules puissent exister. Au lieu de cela, ce qui existe là-bas est un 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 était un énorme défi informatique, qui nécessitait également un code capable de gérer toute la physique.

« Certains codes contenaient la physique nécessaire pour résoudre la partie à petite échelle du problème et d’autres la physique nécessaire pour résoudre la partie plus grande et cosmologique du problème, mais rien qui possédait les deux », explique Hopkins.

L’équipe dirigée par Caltech a utilisé un code appelé GIZMO pour les projets de simulation à grande et à petite échelle. Il est important de noter qu’ils ont conçu 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 quel élément de physique que vous vouliez pour un problème donné, mais ils étaient tous compatibles entre eux », explique Hopkins.

Cela a permis aux scientifiques de simuler un trou noir d’environ 10 millions de fois la masse de notre Soleil, à l’aube de l’univers. La simulation zoome ensuite sur ce trou noir au moment où un flux géant de matière s’arrache d’un nuage de gaz en formation d’étoiles et commence à tourbillonner autour du trou noir supermassif. La simulation peut continuer à zoomer, en résolvant une zone plus fine à chaque étape en suivant le gaz sur son chemin vers le trou.

Disques magnétiques étonnamment moelleux

« Dans notre simulation, nous voyons ce disque d’accrétion se former autour du trou noir », explique Hopkins. « Nous aurions été très excités si nous avions simplement vu ce disque d’accrétion, mais ce qui est très surprenant, c’est que le disque simulé ne ressemble pas à ce à quoi nous nous attendions depuis des décennies. »

Dans deux articles fondateurs des années 1970 décrivant les disques d’accrétion qui alimentent les trous noirs supermassifs, les scientifiques supposaient que la pression thermique (le changement de pression causé par le changement de température du gaz dans les disques) jouait le rôle principal pour empêcher ces disques de s’effondrer sous l’énorme gravité qu’ils subissent à proximité du trou noir. Ils admettaient que les champs magnétiques pourraient jouer un rôle mineur dans le renforcement des disques.

En revanche, la nouvelle simulation a révélé que la pression exercée par les champs magnétiques de ces disques était en réalité 10 000 fois supérieure à la pression exercée par la chaleur du gaz.

« Les disques sont donc presque entièrement contrôlés par les champs magnétiques », explique Hopkins. « Les champs magnétiques remplissent de nombreuses fonctions, l’une d’elles étant de soutenir les disques et de faire gonfler le matériau. »

Cette prise de conscience modifie une multitude de prédictions que les scientifiques peuvent faire sur ces disques d’accrétion, comme leur masse, leur densité et leur épaisseur, la vitesse à laquelle la matière devrait pouvoir se déplacer d’eux vers un trou noir, et même leur géométrie (par exemple, si les disques peuvent être déséquilibrés).

Hopkins espère que cette nouvelle capacité à combler le fossé entre les échelles de simulation cosmologique ouvrira de nombreuses nouvelles voies de recherche. Par exemple, que se passe-t-il en détail lorsque deux galaxies fusionnent ? Quels types d’étoiles se forment dans les régions denses des galaxies où les conditions sont différentes de celles du voisinage de notre Soleil ? À quoi aurait pu ressembler la première génération d’étoiles de l’univers ?

« Il y a tellement de choses à faire », dit-il.