On commence à comprendre comment du plasma s'échappe des trous noirs

Des chercheurs ont utilisé l'un des superordinateurs les plus puissants du monde pour mieux comprendre comment des jets de plasma parviennent à déjouer la force gravitationnelle des trous noirs, pourtant connus pour avaler tout ce qui passe à leur portée — y compris la lumière.

Avant de disparaître par-delà le point de non-retour d'un trou noir — une frontière connue sous le nom d'horizon des événements — et d'être « consommée » par lui, la matière est prise dans la rotation du trou noir. De l'énergie parvient tout de même à s'échapper de ce siphon sous la forme de jets de plasma, qui filent dans l'espace à une vitesse proche de celle de la lumière. Mais comment ? La question a tenu les physiciens en échec pendant des décennies.

Dans un article publié le 23 janvier dernier dans Physical Review Letters, des chercheurs liés au Département de l'énergie de Berkeley décrivent comment ils ont utilisé un superordinateur pour simuler ces jets de plasma, une substance gazeuse chargée électriquement.

Les simulations ont réconcilié deux théories vieilles de deux décennies sur la manière dont de l'énergie peut s'extraire d'un trou noir en rotation.

La première théorie suppose que des courants électriques déforment le champ magnétique du trou noir, ce qui créé les jets de plasma. C'est le mécanisme de Blandford-Znajek, du nom des deux astrophysiciens qui l'ont imaginé. Leur théorie soutient que la matière prise dans le tourbillon d'un trou noir se magnétise à mesure qu'elle se rapproche de l'horizon des événements. Le trou noir agit comme un énorme conducteur en rotation dans un champ magnétique, ce qui cause une différence d'énergie entre ses pôles et son équateur. Cette différence est diffusée par les pôles sous la forme de jets de plasma.

La seconde théorie porte le nom de processus de Penrose. Selon elle, les particles qui s'approche de l'horizon des événements sont divisées : la moitié s'échappe du trou noir par les pôles, l'autre moitié (chargée négativement) tombe vers la singularité.

« Aux alentours d'un trou noir en rotation, on trouve une région appelée ergosphère dans laquelle les particules sont obligées de tourner dans la même direction que le trou noir » explique Kyle Parfrey, auteur principal de l'étude et théoricien en astrophysique, dans un mail à Motherboard. « Dans cette région, il se peut qu'une particule qui tente d'orbiter dans le sens inverse de la rotation soit chargée négativement — en un sens. »

En d'autres termes, si l'une des moitiés d'une particule est lancée contre la rotation du trou noir, elle va réduire son moment cinétique. Cette énergie rotatoire ne peut pourtant pas se perdre : il faut qu'elle aille quelque part. Dans ce cas, elle est convertie en énergie qui propulse l'autre moitié de la particule à l'extérieur du trou noir.

Parfrey rapporte que le processus de Penrose tel qu'il s'est déroulé dans les simulations était un peu différent. Dans le supeordinateur, les particules chargées du plasma sont soumises à des forces électromagnétiques qui propulsent certaines d'entre elles contre la rotation du trou noir, sur une trajectoire d'énergie négative. En ce sens, explique Parfrey, on peut considérer qu'il s'agit d'un type de processus de Penrose.

Bizarrement, la simulation a semblé établir un lien encore jamais vu entre le processus de Penford et le mécanisme de Blandford-Znajek.

La torsion du champ magnétique qui extrait l'énergie du trou noir dans le mécanisme de Blandford-Znajek dépend du courant électrique porté par les particules à l'intérieur du plasma. Or, une bonne partie de ces particules affichaient les propriétés énergétiques négatives caractéristiques du processus de Penrose.

« Il semble donc que les deux mécanismes sont liés, au moins dans certains cas » explique Parfrey.

Parfrey et ses collègues espèrent que leurs modèles fourniront un contexte bien utile aux photos de l'Event Horizon Telescope, un réseau de télescopes terrestre conçu pour capturer l'horizon des événements dont surgissent les jets de plasma. Parfrey et ses collègues souhaitent affiner leurs simulations avant que l'EHT ne produise sa première image.

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