Une visualisation à partir d'une simulation de superordinateur montre comment les positons se comportent près de l'horizon des événements d'un trou noir en rotation.
(Image: © Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab)
L'attraction gravitationnelle d'un trou noir est si forte que rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper une fois qu'il est trop proche. Cependant, il existe un moyen d'échapper à un trou noir - mais uniquement si vous êtes une particule subatomique.
Alors que les trous noirs engloutissent la matière dans leur environnement, ils crachent également de puissants jets de plasma chaud contenant des électrons et des positrons, l'équivalent en antimatière des électrons. Juste avant que ces particules chanceuses qui arrivent n'atteignent l'horizon des événements ou le point de non-retour, elles commencent à accélérer. Se déplaçant à proximité de la vitesse de la lumière, ces particules ricochent hors de l'horizon des événements et sont projetées vers l'extérieur le long de l'axe de rotation du trou noir.
Connus sous le nom de jets relativistes, ces énormes et puissants flux de particules émettent de la lumière que nous pouvons voir avec des télescopes. Bien que les astronomes observent les jets depuis des décennies, personne ne sait exactement comment les particules qui s'échappent obtiennent toute cette énergie. Dans une nouvelle étude, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en Californie ont jeté un nouvel éclairage sur le processus. [Les trous noirs les plus étranges de l'univers]
"Comment extraire l'énergie de la rotation d'un trou noir pour fabriquer des jets?" Kyle Parfrey, qui a dirigé les simulations de trous noirs pendant son séjour en tant que stagiaire postdoctoral au Berkeley Lab, a déclaré dans un communiqué. "C'est une question depuis longtemps." Parfrey est maintenant senior fellow au Goddard Space Flight Center de la NASA dans le Maryland.
Pour tenter de répondre à cette question, Parfrey et son équipe ont conçu un ensemble de simulations de superordinateurs qui "combinaient des théories vieilles de plusieurs décennies pour fournir de nouvelles informations sur les mécanismes d'entraînement dans les jets de plasma qui leur permettaient de voler l'énergie des puissants champs gravitationnels des trous noirs et le propulser loin de leurs bouches béantes ", ont déclaré des responsables de la LBNL dans le communiqué. En d'autres termes, ils ont étudié comment la force gravitationnelle extrême d'un trou noir peut donner aux particules tellement d'énergie qu'elles commencent à rayonner.
"Les simulations, pour la première fois, unissent une théorie qui explique comment les courants électriques autour d'un trou noir tordent les champs magnétiques en formant des jets, avec une théorie distincte expliquant comment les particules traversant le point de non-retour d'un trou noir - l'horizon des événements - peuvent semblent à un observateur éloigné transporter de l'énergie négative et réduire l'énergie de rotation globale du trou noir ", ont déclaré des responsables de la LBNL. "C'est comme manger une collation qui vous fait perdre des calories plutôt que de les gagner. Le trou noir perd en fait de la masse à cause de l'avalanche de ces particules" d'énergie négative "."
Parfrey a déclaré qu'il avait combiné les deux théories pour tenter de fusionner la physique des plasmas ordinaire avec la théorie de la relativité générale d'Einstein. Les simulations devaient aborder non seulement l'accélération des particules et la lumière provenant des jets relativistes, mais elles devaient également tenir compte de la façon dont les positrons et les électrons sont créés en premier lieu: via les collisions de photons à haute énergie, comme les rayons gamma. Ce processus, appelé production de paires, peut transformer la lumière en matière.
«Les résultats des nouvelles simulations ne diffèrent pas radicalement de ceux des anciennes… simulations, ce qui est en quelque sorte rassurant», a expliqué Robert Penna, chercheur au Center for Theoretical Astrophysics de l'Université Columbia, qui n'était pas impliqué dans l'étude. , a écrit dans un article "Viewpoints" dans la revue Physical Review Letters.
"Cependant, Parfrey et al. Découvrent un comportement intéressant et nouveau", a déclaré Penna. "Par exemple, ils trouvent une grande population de particules dont les énergies relativistes sont négatives, mesurées par un observateur loin du trou noir. Lorsque ces particules tombent dans le trou noir, l'énergie totale du trou noir diminue."
Il y a cependant eu une surprise. Les simulations de Parfrey montrent qu'il y a tellement de ces particules d'énergie négative qui s'écoulent dans le trou noir "que l'énergie qu'elles extraient en tombant dans le trou est comparable à l'énergie extraite par l'enroulement du champ magnétique", a déclaré Penna. "Un travail de suivi est nécessaire pour confirmer cette prédiction, mais si l'effet des particules à énergie négative est aussi fort qu'on le prétend, il pourrait modifier les attentes pour les spectres de rayonnement des jets de trous noirs."
Parfrey et son équipe prévoient d'améliorer encore leurs modèles en comparant les simulations avec des preuves d'observation provenant d'observatoires comme le nouveau télescope Event Horizon, qui vise à capturer les premières photos d'un trou noir. "Ils prévoient également d'élargir la portée des simulations pour inclure le flux de matière infaillible autour de l'horizon des événements du trou noir, connu sous le nom de flux d'accrétion", ont déclaré des responsables de la LBNL.
"Nous espérons fournir une image plus cohérente de l'ensemble du problème", a déclaré Parfrey.
L'étude a été publiée mercredi 23 janvier dans Physical Review Letters.
