Jet de la galaxie géante M87 : la modélisation informatique explique les observations de trous noirs

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Jet de la galaxie géante M87 : la modélisation informatique explique les observations des trous noirs, une confirmation supplémentaire de la théorie de la relativité générale d’Einstein.


Image 2 :  Trou noir M87. C’est le premier trou noir pour lequel une image existe, créé en 2019 par la collaboration internationale de recherche Event Horizon Telescope.

Un énorme jet de particules émis par la galaxie géante M87 peut être observé astronomiquement dans différentes longueurs d’onde. Le Dr Alejandro Cruz Osorio et le professeur Luciano Rezzolla de l’Université Goethe de Francfort, ainsi qu’une équipe internationale de scientifiques impliquant le professeur Yosuke Mizuno de l’Université Jiao Tong de Shanghai, ont réussi à développer un modèle théorique de la morphologie de ce jet en utilisant des calculs complexes de superordinateur. Les images de ces calculs fournissent une correspondance sans précédent avec les observations astronomiques et confirment la théorie de la relativité générale d’Einstein.

La galaxie Messier 87 (M87) est située à 55 millions d’années-lumière de la Terre dans la constellation de la Vierge. C’est une galaxie géante avec 12 000 amas globulaires, ce qui fait que les 200 amas globulaires de la Voie lactée semblent modestes en comparaison. Un trou noir de six milliards et demi de masses solaires est hébergé au centre de M87.

Ce trou noir (M87*) projette un jet de plasma proche de la vitesse de la lumière, un jet dit relativiste, à l’échelle de 6 000 années-lumière. L’énorme énergie nécessaire pour propulser ce jet provient probablement de l’attraction gravitationnelle du trou noir, mais comment un jet comme celui-ci se produit et ce qui le maintient stable sur une distance énorme n’est pas encore entièrement compris.

Image 2 : Le long des lignes de champ magnétique, les particules sont accélérées si efficacement qu’elles forment un jet à des échelles de 6 000 années-lumière dans le cas de M87.

Le trou noir M87* attire la matière qui tourne dans un disque sur des orbites de plus en plus petites jusqu’à ce qu’elle soit avalée par le trou noir. Le jet est lancé depuis le centre du disque d’accrétion entourant M87, et une équipe internationale de physiciens théoriciens a maintenant modélisé cette région en détail. Ils ont utilisé des simulations de superordinateur tridimensionnelles très sophistiquées qui utilisent la quantité stupéfiante d’un million d’heures de processeur par simulation et ont dû résoudre simultanément les équations de la relativité générale, les équations de l’électromagnétisme et les équations de la dynamique des fluides.

Le résultat fut un modèle dans lequel les valeurs calculées pour les températures, les densités de matière et les champs magnétiques correspondent remarquablement bien à ce qui est déduit des observations astronomiques. Sur cette base, les scientifiques ont pu suivre le mouvement complexe du rayonnement dans l’espace-temps courbe de la région la plus interne du jet et le traduire en images radio. Ils ont ensuite pu comparer ces images modélisées par ordinateur avec les observations faites à l’aide de nombreux radiotélescopes et satellites au cours des trois dernières décennies.

Le Dr Alejandro Cruz-Osorio, auteur principal de l’étude, commente : “Notre modèle théorique de l’émission électromagnétique et de la morphologie du jet de M87 correspond étonnamment bien aux observations dans les spectres infrarouge, optique et des rayons X”. Le professeur Yosuke Mizuno, Institut Tsung-Dao Lee de l’Université Jiao Tong de Shanghai, l’un des trois auteurs correspondants mentionne : en accélérant les particules à des échelles de milliers d’années-lumière.

Le Dr Alejandro Cruz-Osorio, auteur principal de l’étude, ajoute : “Notre modèle théorique de l’émission électromagnétique et de la morphologie du jet de M87 correspond étonnamment bien aux observations dans les spectres infrarouges, optiques et des rayons X”. Le professeur Yosuke Mizuno, de l’Institut Tsung-Dao Lee de l’Université Jiao Tong de Shanghai, l’un des trois auteurs correspondants mentionne : “Cela nous indique que le trou noir supermassif M87 est probablement en forte rotation et que le plasma est fortement magnétisé dans le jet, accélérant les particules à des échelles de milliers d’années-lumière”.

Image: Le modèle théorique (théorie) et les observations astronomiques (observation) du site de lancement du jet relativiste de M87 correspondent très bien.

Le professeur Luciano Rezzolla, de l’Institut de physique théorique de l’Université Goethe de Francfort, remarque : “Le fait que les images que nous avons calculées soient si proches des observations astronomiques est une autre confirmation importante que la théorie de la relativité générale d’Einstein est l’explication la plus précise et la plus naturelle de la l’existence de trous noirs supermassifs au centre des galaxies. Bien qu’il y ait encore de la place pour des explications alternatives, les résultats de notre étude ont rendu cette possibilité beaucoup plus faible”.

Voir la publication

Cruz-Osorio, A., Fromm, C.M., Mizuno, Y. et al. State-of-the-art energetic and morphological modelling of the launching site of the M87 jet. Nat Astron (2021).

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