Les apparences peuvent être trompeuses. La lumière d’une ampoule à incandescence semble stable, mais elle clignote 120 fois par seconde. Parce que le cerveau ne perçoit qu’une moyenne des informations qu’il reçoit, ce scintillement est flou et la perception d’un éclairage constant n’est qu’une illusion.
Alors que la lumière ne peut pas s’échapper d’un trou noir, la lueur brillante du gaz en orbite rapide a son propre scintillement unique. Dans un article récent, publié dans Lettres du journal astrophysique, Lena Murchikova, William D. Loughlin Membre de l’Institute for Advanced Study ; Chris White de l’Université de Princeton ; et Sean Ressler de l’Université de Californie à Santa Barbara ont pu utiliser ce scintillement subtil pour construire le modèle le plus précis à ce jour du trou noir central de notre propre galaxie – Sagittarius A* (Sgr A*) – donnant un aperçu de propriétés telles que sa structure et mouvement.
Pour la première fois, des chercheurs ont montré dans un seul modèle l’histoire complète de la façon dont le gaz se déplace au centre de la Voie lactée, depuis son expulsion par les étoiles jusqu’à sa chute dans le trou noir. En lisant entre les lignes proverbiales (ou la lumière scintillante), l’équipe a conclu que l’image la plus probable de l’alimentation d’un trou noir dans le centre galactique implique une chute directe de gaz à grande distance, plutôt qu’un siphonnage lent du matériau en orbite sur une longue période de temps.
Simulation de gaz incandescent autour d’un trou noir. Crédit : Chris White, Université de Princeton
« Les trous noirs sont les gardiens de leurs propres secrets », a déclaré Murchikova. « Afin de mieux comprendre ces objets mystérieux, nous dépendons de l’observation directe et de la modélisation à haute résolution. »
Bien que l’existence des trous noirs ait été prédite il y a environ 100 ans par Karl Schwarzschild, sur la base de la nouvelle théorie de la gravité d’Albert Einstein, les chercheurs commencent seulement maintenant à les sonder par des observations.
En octobre 2021, Murchikova a publié un article dans Lettres du journal astrophysique, introduisant une méthode pour étudier le scintillement des trous noirs sur une échelle de temps de quelques secondes, au lieu de quelques minutes. Cette avancée a permis une quantification plus précise des propriétés de Sgr A* en fonction de son scintillement.
White a travaillé sur les détails de ce qui arrive au gaz près des trous noirs (où les forts effets de la relativité générale sont importants) et comment cela affecte la lumière qui nous parvient. Un Journal astrophysique publication plus tôt cette année résume certaines de ses découvertes.
Ressler a passé des années à tenter de construire les simulations les plus réalistes à ce jour du gaz autour de Sgr A*. Il l’a fait en incorporant des observations d’étoiles proches directement dans les simulations et en suivant méticuleusement le matériau qu’elles libèrent lorsqu’il tombe dans le trou noir. Son travail récent a abouti à un Lettres du journal astrophysique papier en 2020.
Murchikova, White et Ressler se sont ensuite associés pour comparer le schéma de scintillement observé de Sgr A * avec ceux prédits par leurs modèles numériques respectifs.
« Le résultat s’est avéré très intéressant », a expliqué Murchikova. « Pendant longtemps, nous avons pensé que nous pouvions largement ignorer d’où venait le gaz autour du trou noir. Les modèles typiques imaginent un anneau de gaz artificiel, à peu près en forme de beignet, à une grande distance du trou noir. Nous avons constaté que de tels modèles produisent des schémas de scintillement incompatibles avec les observations. »
Le modèle de vent stellaire de Ressler adopte une approche plus réaliste, dans laquelle le gaz consommé par les trous noirs est initialement rejeté par les étoiles proches du centre galactique. Lorsque ce gaz tombe dans le trou noir, il reproduit le schéma correct de scintillement. « Le modèle n’a pas été construit dans le but d’expliquer ce phénomène particulier. Le succès n’était en aucun cas une garantie », a commenté Ressler. « C’était donc très encourageant de voir le modèle réussir de manière si spectaculaire après des années de travail. »
« Lorsque nous étudions le scintillement, nous pouvons voir des changements dans la quantité de lumière émise par le trou noir seconde par seconde, en effectuant des milliers de mesures au cours d’une seule nuit », a expliqué White. « Cependant, cela ne nous dit pas comment le gaz est disposé dans l’espace comme le ferait une image à grande échelle. En combinant ces deux types d’observations, il est possible d’atténuer les limites de chacun, obtenant ainsi l’image la plus authentique. »
Lena Murchikova et al, Correspondance remarquable de la variabilité submillimétrique du Sagittaire A * avec un modèle de flux d’accrétion alimenté par le vent stellaire, Les lettres du journal astrophysique (2022). DOI : 10.3847/2041-8213/ac75c3
Lena Murchikova et al, Variabilité submillimétrique à la deuxième échelle du Sagittaire A* pendant l’activité de torchage de 2019 : sur l’origine des éruptions lumineuses dans le proche infrarouge, Les lettres du journal astrophysique (2021). DOI : 10.3847/2041-8213/ac2308
Christopher J. White et al, Les effets de l’inclinaison sur la variabilité temporelle des émissions millimétriques et infrarouges du Sagittaire A*, Le Journal Astrophysique (2022). DOI : 10.3847/1538-4357/ac423c
Sean M. Ressler et al, Ab Initio Horizon-scale Simulations of Magneticly Arrested Accretion in Sagittarius A* Fed by Stellar Winds, Le Journal Astrophysique (2020). DOI : 10.3847/2041-8213/ab9532