La collaboration internationale Event Horizon Telescope a pris une deuxième image d’un trou noir, cette fois au centre de notre propre galaxie, la Voie lactée. Mais pour donner du sens à l’image, la collaboration a dû la comparer à des simulations de trous noirs.
Après avoir mobilisé plus de 300 scientifiques et ingénieurs pour établir un réseau de télescopes synchronisés qui forment un télescope virtuel de la taille de la Terre, la collaboration internationale Event Horizon Telescope a pris les toutes premières images de trous noirs supermassifs. La première image, du trou noir au centre de la galaxie Messier 87, a été publiée en 2019. La dernière image, publiée jeudi, montre le trou noir au centre de notre propre galaxie de la Voie lactée, appelée Sagittarius A*.
Mais que se passe-t-il après la capture de ces images ?
« Prendre une image n’est que le début. Pour vraiment comprendre l’objet que nous observons, nous avons dû le comparer à des simulations », a déclaré Chi-Kwan « CK » Chan, professeur de recherche associé à l’Université de l’Arizona au College of Science’s Steward. Observatoire. Chan est secrétaire du Conseil scientifique EHT et chercheur principal pour le projet international Black Hole PIRE, qui travaille à développer l’infrastructure pour faire entrer des projets astronomiques comme EHT dans l’ère de la science des mégadonnées.
Chan est également un chef de file des efforts de modélisation et d’interprétation théoriques de la collaboration EHT pour le Sagittaire A*, le sujet de la dernière photographie et une série d’articles scientifiques publié par la Collaboration EHT en Lettres du journal astrophysique. Il a coordonné le cinquième article, qui se concentre sur la création de simulations de trous noirs et leur transformation en images synthétiques pouvant être comparées à des observations réelles pour nous apprendre quelque chose de nouveau sur le trou noir.
À la suite de ce processus, les scientifiques de l’EHT ont déterminé que le Sagittaire A* tournait probablement et avait un champ magnétique légèrement plus fort qu’un aimant de réfrigérateur, ce qui est suffisant pour repousser le gaz à proximité. Le gaz tombant dans le trou noir forme un disque qui, depuis la Terre, semble être de face plutôt que du bord. Ce disque incandescent diffus est constitué de gaz surchauffé, ou plasma, et de particules chargées. Les électrons sont 100 fois plus froids que les ions dans le plasma et le disque tourne dans le même sens que le trou noir. De plus, seule une partie de ce matériau tombe dans le trou noir. Si le Sagittaire A* était une personne, il consommerait un seul grain de riz tous les millions d’années.
Trouver du sens
UArizona, en collaboration avec l’Université de l’Illinois et l’Université de Harvard, a dirigé l’effort de création de la plus grande collection de simulations à ce jour, que l’EHT appelle la bibliothèque de simulation. Cette bibliothèque est composée de milliers d’ensembles de données, contenant des informations sur la façon dont le plasma interagit avec les champs magnétiques autour des trous noirs, et de millions d’images simulées. Chaque simulation suppose quelque chose de différent sur les propriétés et les caractéristiques du trou noir et de son environnement.
Les scientifiques de l’EHT peuvent comparer chaque image simulée avec l’image réelle du trou noir pour trouver une correspondance. La simulation qui crée l’instantané avec la correspondance la plus proche peut nous apprendre quelque chose sur le trou noir réel, y compris sa température de plasma et la force de son champ magnétique.
Le processus de simulation implique l’utilisation de superordinateurs pour résoudre ce qu’on appelle des équations magnétohydrodynamiques relativistes générales, ou GRMHD, qui révèlent le mouvement de la matière et de l’énergie autour des trous noirs dans un espace et un temps considérablement déformés. Les simulations GRMHD sont similaires aux simulations utilisées pour comprendre comment l’air circule autour des avions, a déclaré Chan, mais les simulations GRMHD prennent également en compte les forces extrêmes de gravité telles que décrites par la théorie de la relativité générale d’Einstein et l’interaction entre les champs magnétiques et le plasma.
Contrairement aux équations plus simples, qui peuvent être résolues avec un crayon, du papier et du temps, les équations GRMHD sont beaucoup plus complexes, car elles tiennent compte de la rétroaction constante entre les champs magnétiques et le plasma, ce qui donne une équation en constante évolution.
Pour créer la bibliothèque de simulation, la collaboration EHT avait besoin de 80 millions d’heures CPU, ou temps de traitement, ce qui équivaut à faire fonctionner 2 000 ordinateurs portables à pleine vitesse pendant une année complète. La collaboration a effectué les calculs pour créer la bibliothèque avec le supercalculateur Frontera financé par la National Science Foundation au Texas Advanced Computing Center, où Chan est le chercheur principal de l’allocation Frontera Large-Scale Community Partnerships. Grâce à cette ressource, l’équipe a pu terminer la bibliothèque complète de simulations en deux mois.
La collaboration EHT a créé une multitude d’images possibles du Sagittaire A* en utilisant le lancer de rayons, une technique qui prédit à quoi ressembleraient les trous noirs sur la base de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Les images présentées ici ont été créées par Chi-kwan Chan d’UArizona sur CyVerse et Open Science Grid et visualisées par Ben Prather de l’Université de l’Illinois, dans le cadre d’une plus grande bibliothèque de simulation assemblée par le groupe de travail théorique d’EHT. Crédit : EHT Collaboration
« Pour comparer des simulations comme celle-ci avec des observations EHT, nous devons également exécuter des calculs supplémentaires pour traduire les données GRMHD en images », a déclaré Chan. « Ces types de calculs sont appelés lancer de rayons relativiste général. »
L’EHT a été conçu pour détecter une longueur d’onde spécifique – 1,3 millimètre – d’onde radio provenant du centre galactique d’un trou noir. Pour simuler ces ondes radio et créer des images, les scientifiques tracent le chemin parcouru par la lumière jusqu’au trou noir, toujours à l’aide de supercalculateurs.
Chan a dirigé une grande partie des efforts de calcul du lancer de rayons pour Sagittarius A * via CyVerse, une cyberinfrastructure nationale basée à UArizona, et Open Science Grid, financé par la NSF, un consortium pour le calcul de grandes quantités de données. L’équipe d’UArizona a non seulement dirigé les efforts pour acquérir les ressources informatiques nécessaires à l’exécution de ces simulations, mais elle a également créé le logiciel qui a facilité les calculs.
Le produit final est constitué de nombreux films simulés et d’images simulées d’un trou noir produites par différentes hypothèses sur la physique sous-jacente. L’équipe compare ensuite ces films et ces images avec de vrais trous noirs.
Les étudiants de l’UArizona ont joué un rôle important en rendant la comparaison possible. Yuan Jea Hew, un récent diplômé qui a étudié l’astronomie, et Anthony Hsu, un étudiant de deuxième année en informatique et en mathématiques appliquées, ont développé des algorithmes d’analyse de données pour rendre la comparaison possible.
La collaboration s’est appuyée sur 11 tests différents que les simulations de trous noirs devaient réussir afin de correspondre suffisamment au vrai trou noir.
« Il est remarquable que nous comprenions si bien le Sagittaire A * que certains modèles réussissent 10 des 11 tests », a déclaré Chan.
Les tests ont pris en compte des variables telles que la luminosité de certaines longueurs d’onde, la taille de l’image, ainsi que la taille et la largeur de l’anneau lumineux entourant le trou noir.
« Cependant, aucun modèle n’a réussi les 11 tests », a déclaré Chan. Le test le plus difficile à battre pour les modèles était la variabilité, qui mesure à quel point le trou noir change d’un instant à l’autre. Les simulations sont plus variables que le vrai Sagittaire A*.
« Peu importe combien de temps nous exécutons les simulations pour les laisser s’installer, la plupart des simulations ont toujours échoué à ce test », a déclaré Chan. « Ils ne correspondent pas tout à fait à la réalité, mais je pense que c’est plus excitant que si tout fonctionnait simplement. Maintenant, nous pouvons apprendre une nouvelle physique et mieux comprendre notre propre trou noir. »
Les membres du corps professoral de l’UArizona travaillant à comprendre les trous noirs relèvent ce défi depuis des décennies et faisaient partie des groupes de recherche qui ont identifié le trou noir au centre de la Voie lactée et celui au centre de la galaxie Messier 87 comme cibles idéales d’étude. . L’université a également fourni deux des huit télescopes du réseau EHT utilisés pour créer ces images : le télescope submillimétrique sur le mont Graham en Arizona et le télescope du pôle Sud en Antarctique. En 2019, UArizona a également ajouté le télescope de 12 mètres sur Kitt Peak en Arizona au réseau.
Au total, 36 chercheurs, étudiants diplômés et étudiants de premier cycle de l’UArizona sont impliqués dans la collaboration EHT, dont les professeurs d’astronomie Dimitrios Psaltis, Feryal Özel, Dan Marrone et le professeur de recherche et astronome Remo Tilanus. Le chef du département d’astronomie, Buell Jannuzi, siège au conseil d’administration de l’EHT.