La simulation d’un superordinateur explique la puissance massive d’un trou noir de jais – confirme la théorie de la relativité générale d’Einstein

Un trou noir massif avec un jet de rayons X. Crédit : NASA/CXC/M. Weiss

Confirmation supplémentaire de 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 en fait Voie LactéeLes 200 amas globulaires semblent modestes en comparaison. une Trou noir Sur les six milliards et demi de masses solaires situées au centre de M87. C’est le premier trou noir à avoir une image, créé en 2019 par la collaboration internationale de recherche Event Horizon Telescope.

Ce trou noir (M87*) libère un jet de plasma Proche de la vitesse de la lumière, le plan dit relativiste, à l’échelle de 6000 années-lumière. L’énorme énergie nécessaire pour alimenter ce jet provient probablement de la force gravitationnelle du trou noir, mais comment un jet comme celui-ci émerge et ce qui le maintient stable sur l’énorme distance n’est pas encore entièrement compris.

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

Le trou noir M87* attire la matière tournant dans un disque sur des orbites plus petites jusqu’à ce que le trou noir l’avale. Le jet est lancé depuis le centre du disque d’accrétion entourant M87, et des physiciens théoriciens de l’Université Goethe, ainsi que des scientifiques d’Europe, des États-Unis et de Chine, ont conçu cette zone dans les moindres détails.

Ils ont utilisé des simulations de superordinateur 3D très sophistiquées qui utilisaient un million d’heures CPU par simulation, et devaient résoudre simultanément les équations de la relativité générale d’Albert Einstein, les équations de l’électromagnétisme de James Maxwell et les équations de la dynamique des fluides de Leonhard Euler.

Le long des lignes de champ magnétique, les particules accélèrent si efficacement qu’elles forment des jets jusqu’à 6 000 années-lumière dans le cas de M87. Crédit : Alejandro Cruz Osorio

Le résultat était un modèle dans lequel les valeurs calculées des températures, de la densité des matériaux et des champs magnétiques correspondaient remarquablement bien à ce qui était déduit des observations astronomiques. Sur cette base, les scientifiques ont pu tracer le mouvement complexe des photons dans l’espace-temps courbe de la région la plus interne de l’avion et le traduire en images radio. Ils ont ensuite pu comparer ces images informatiques avec des observations faites avec plusieurs 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 aux observations dans les spectres radio, optique et infrarouge. Cela nous indique que le trou noir supermassif de M87* est probablement très en orbite et que le plasma est fortement magnétisé. dans le plan, accélérant les particules à des distances de milliers d’années-lumière. »

Le professeur Luciano Rizzola, de l’Institut de physique théorique de l’Université Goethe de Francfort, note : « Le fait que les images que nous avons calculées soient très 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 son existence que la théorie supermassive. des trous noirs 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 pièce beaucoup plus petite. « 

Référence : « Derniers modèles actifs et morphologiques du site de lancement du M87 » Par Alejandro Cruz Osorio, Christian M Fromm, Yusuke Mizuno, Antonius Nathaniel, Ziri Younesi, Oliver Borth, Jordi Davilar, Hino Falk, Michael Kramer et Luciano Rizzola, 4 novembre 2021 , astronomie naturelle.
DOI : 10.1038 / s41550-021-01506-w