Une première démonstration définitive de l’accélération non thermique des particules dans la turbulence magnétorationnelle

Des chercheurs de l’Université du Colorado à Boulder, de la KU Leuven, du Flatiron Institute et de l’Université du Wisconsin-Madison ont récemment entrepris de répondre à une question de recherche de longue date, à savoir si les particules chargées dans les flux turbulents qui entourent généralement les trous noirs et autres objets compacts peuvent être accélérées à des énergies très élevées.

Leur article, publié dans Lettres d’examen physiquedécrit les résultats des simulations approfondies qu’ils ont effectuées, qui démontrent l’accélération non thermique des particules dans la turbulence magnétorationnelle cinétique se produisant naturellement dans les plasmas.

« Une question ouverte dans le domaine de l’astrophysique du plasma des trous noirs est la suivante : les particules chargées (par exemple les électrons et les ions) dans les écoulements turbulents autour des trous noirs peuvent-elles être accélérées à des énergies très élevées ? », a déclaré Fabio Bacchini, auteur principal de l’étude, à Phys.org. « Cette question a des implications très profondes pour notre compréhension des environnements extrêmes que l’on trouve autour des trous noirs, tels que ceux récemment observés, par exemple, par l’Event Horizon Telescope Collaboration. »

Pour répondre à cette question clé sur l’accélération des particules chargées dans les écoulements turbulents, Bacchini et ses collègues ont d’abord dû modéliser la turbulence dans l’environnement extrême autour des trous noirs. Ces environnements uniques sont caractérisés par ce que l’on appelle l’instabilité magnétorotationnelle (IRM), un puissant processus d’amplification du champ magnétique qui se produit naturellement dans les plasmas soumis aux cisaillements et autres forces présentes dans l’environnement des trous noirs.

« Si vous le considérez comme un processus isolé, l’IRM évolue à travers plusieurs étapes et atteint finalement un « état turbulent saturé » (c’est-à-dire un état turbulent où l’IRM amplifie les champs magnétiques tandis que ces champs sont continuellement détruits par des mécanismes de dissipation) », a déclaré Bacchini.

« Cet état peut être maintenu pour toujours, et nous pensons que c’est l’état dans lequel se trouvent généralement les plasmas autour des trous noirs. Nous avons donc élaboré une simulation dans laquelle nous modélisons l’évolution de l’IRM jusqu’au stade turbulent. »

Après avoir simulé l’évolution de l’IRM jusqu’à la turbulence, Bacchini et ses collègues étaient prêts à aborder leur première question de recherche. Cependant, alors qu’ils simulaient l’IRM à travers ses différentes étapes, les particules chargées dans leurs simulations étaient déjà affectées par la dynamique qui s’est produite dans le système avant qu’il n’atteigne la turbulence.

« Vous ne pouvez pas vraiment répondre à la question, car les particules dans les simulations « se souviennent » de ce qui s’est passé avant l’état turbulent (y compris toute accélération qu’elles ont reçue), et leur évolution à travers la turbulence ultérieure n’est pas indépendante de ces étapes pré-turbulence », a déclaré Bacchini.

« L’objectif principal de ce travail était d’étudier l’accélération des particules dans la turbulence de manière indépendante des conditions initiales, afin de pouvoir répondre à la question ci-dessus sans « pollution » provenant des étapes de pré-turbulence qui ne seraient pas vraiment observées dans la nature de manière aussi isolée (mais qui se produisent nécessairement dans les simulations). »

Essentiellement, l’objectif principal des travaux récents de Bacchini et de ses collègues était d’identifier une stratégie efficace pour éliminer les effets de pré-turbulence, afin qu’ils puissent utiliser leurs simulations pour mesurer sélectivement l’accélération des particules dans la phase de turbulence.

Ils ont finalement réussi à concevoir une méthode (reposant sur une dynamique radiative motivée physiquement) pour supprimer ces effets de pré-turbulence ; cependant, pour répondre à leur question de recherche initiale, ils ont également dû atteindre les plus grandes tailles de systèmes physiques possibles.

« Nous avions trouvé précédemment « La simulation de l’IRM dans des systèmes physiques trop petits (et surtout s’ils ne capturent pas la tridimensionnalité) produit des résultats très irréalistes », a déclaré Bacchini.

« Par exemple, si la taille du système est trop petite, l’IRM ne développe même pas de turbulence. Nous avions donc besoin de boîtes de simulation 3D extrêmement grandes, bien plus grandes que tout ce qui avait été réalisé auparavant. Cela impliquait de disposer d’un code de simulation capable d’exécuter des simulations aussi importantes pendant très longtemps, puis d’exécuter ces simulations sur un supercalculateur adapté. »

Bacchini et ses collègues ont exécuté leur code informatique de manière très efficace sur plus de 250 000 processeurs à l’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) pendant plusieurs semaines consécutives. Cela leur a permis de simuler un système suffisamment grand pour reproduire de manière réaliste la dynamique de l’IRM.

« L’IRM a été simulée auparavant via des approches « fluides », a déclaré Bacchini. « Ces modèles théoriques sont utiles pour capturer les phénomènes plasmatiques à grande échelle, mais ils ne contiennent aucune information sur les particules individuelles (ils ne peuvent donc pas être utilisés pour répondre à la question ci-dessus).

« Pour nos besoins, nous devions simuler l’IRM avec une approche « cinétique », c’est-à-dire capturer la dynamique d’une seule particule. Pour plus de réalisme, nous devions également faire évoluer de nombreuses particules (de l’ordre de 50 milliards) pendant une très longue période. »

Les chercheurs ont ainsi pu obtenir une description des premiers principes de l’évolution de l’IRM. Cette description, qui décrit à la fois le comportement des fluides à grande échelle et les phénomènes à l’échelle des particules, les a finalement aidés à répondre à leur question de recherche.

Bacchini et ses collègues ont pu démontrer directement que les particules peuvent en fait être accélérées dans la turbulence plasmatique générée par IRM, indépendamment des conditions de simulation initiales. Dans leurs simulations, ils ont observé des particules commençant à des énergies relativement basses, comparables à celles associées au plasma que l’on trouve couramment sur Terre, mais atteignant ensuite des énergies extrêmement élevées auxquelles les effets relativistes entrent en jeu.

« En fait, ces particules atteignent des vitesses très proches de celle de la lumière », explique Bacchini. « L’énergie nécessaire à cette accélération provient des champs magnétiques, qui dissipent leur réservoir d’énergie via la cascade turbulente que nous modélisons.

« On pense généralement que des quantités massives d’énergie sont stockées dans des champs magnétiques à grande échelle autour des trous noirs. Ces champs magnétiques peuvent être créés et amplifiés via des processus comme l’IRM, en se nourrissant de l’énergie gravitationnelle du trou noir.

« Notre travail montre essentiellement que cette énergie magnétique et gravitationnelle peut être exploitée, ce qui donne lieu à des particules hautement énergétiques accélérées via la turbulence générée par l’IRM. »

Aux énergies remarquablement élevées simulées par Bacchini et ses collègues, les particules peuvent commencer à émettre un rayonnement (c’est-à-dire des photons), qui pourrait être observé à l’aide d’instruments spécifiques. Certains physiciens ont suggéré qu’il s’agissait du type d’émission captée par le télescope Event Horizon autour de certains trous noirs supermassifs, dont M87*.

« Nous avons réalisé les plus grandes simulations IRM avec descriptions cinétiques à ce jour, qui montrent également comment la dynamique cinétique reproduit celle du fluide à des échelles suffisamment grandes », a déclaré Bacchini. « Nous avons effectué des diagnostics dans cette direction, observant par exemple que l’accélération des particules le long ou transversalement par rapport à la direction du champ magnétique local contribue fortement à redistribuer le moment angulaire dans l’ensemble du plasma turbulent.

« Cela nous aide à comprendre comment les « flux d’accrétion » (c’est-à-dire les flux de plasma qui tournent en spirale et tombent lentement dans les trous noirs) peuvent exister, puisque l’accrétion elle-même implique l’existence de mécanismes de redistribution du moment angulaire. »

Si de grands télescopes terrestres ont détecté ces dernières années du rayonnement autour des trous noirs, son origine reste mal comprise. Les simulations menées par cette équipe de chercheurs pourraient contribuer à comprendre comment ce rayonnement est produit à proximité immédiate des trous noirs.

« Comprendre cette émission est extrêmement important car le rayonnement (lumière) transporte des informations sur ces environnements extrêmes, et c’est l’une des rares sources d’information dont nous disposons à leur sujet. (Nous ne pouvons pas vraiment envoyer des sondes vers les trous noirs, puisqu’il n’y a pas de trous noirs près de la Terre…) », explique Bacchini.

« Plus important encore, en comprenant la dynamique du plasma et le rayonnement qui en résulte à proximité d’un trou noir, nous pouvons obtenir des informations sur le trou noir lui-même, sur sa masse, sur sa rotation, etc., qui influencent toutes la dynamique du plasma et dont nous tenons compte dans les simulations. »

En enrichissant potentiellement la compréhension de la dynamique du plasma et du rayonnement à proximité des trous noirs, la méthodologie employée par Bacchini et ses collègues pourrait permettre aux physiciens de tester indirectement la théorie de la relativité générale d’Einstein. Mais avant de pouvoir y parvenir, l’équipe devra effectuer plusieurs autres simulations.

« Ces essais ont été réalisés avec un certain nombre de simplifications pour les rendre réalisables », a déclaré Bacchini. « Nous avons notamment supposé que la composition du plasma était constituée de paires (électrons et positons, qui ont la même masse) pour des raisons de simplicité. Cela nous permet de récupérer la dynamique globale correcte et de sonder dans une certaine mesure l’accélération des particules, mais dans les systèmes réalistes, il faut plutôt tenir compte de la présence d’électrons et de protons (beaucoup) plus massifs. »

« Cela augmente l’effort de calcul requis de plusieurs ordres de grandeur, car les particules de masse différente provoquent des phénomènes cinétiques à différentes échelles spatio-temporelles, et il faut capturer toutes ces échelles dans une simulation. »

Le groupe de Bacchini à la KU Leuven travaille actuellement sur des simulations supplémentaires et de plus grande envergure, qui incluent également des électrons et des protons. Ils espèrent que ces simulations leur permettront bientôt de répondre avec encore plus de précision à leur première question de recherche liée à l’accélération des particules dans la turbulence des quasi-trous noirs.

« D’autres directions possibles pour les recherches futures sont l’inclusion directe des processus radiatifs (qui peuvent modifier la dynamique du plasma lui-même) dans nos simulations, et l’inclusion de la stratification (en considérant essentiellement que le plasma change de densité en s’éloignant du plan équatorial du trou noir) », a ajouté Bacchini.

« Ce dernier en particulier a été exploré pour la première fois en un travail récent mené par des collaborateurs au Chili, et il reste encore beaucoup à faire.

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